一種一體化燃料電池供電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及燃料電池領域，尤其涉及一種一體化燃料電池供電系統。
【背景技術】
[0002]燃料電池(Fuel Cell)是將反應物的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。燃料電池包括磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)等等。如圖1所示，在傳統的燃料利用方式中，需要進行熱交換，如火力發電，需要先將煤、石油、天然氣等燃料的化學能轉換為熱能，熱能轉換為動能，動能轉換為電能。又如內燃機驅動系統中，需要化學能轉換為熱能，熱能轉換為動能。在熱傳遞的過程中，熱機受到卡諾循環的限制，轉換效率為33% -35%，將近2/3的能量在轉換過程中以熱能的形式散失。而燃料電池由于是利用電化學反應將化學能直接轉換成電能，因而不受卡諾循環的限制，轉換效率高，能量損失少。
[0003]現有技術中，燃料電池供電系統通常采用模塊化結構，如圖2所示，燃料電池單元將化學能轉化為電能，功率變換單元將電能轉換成適合負載的使用電壓，在燃料電池未啟動之前，由蓄電池向外提供能源供給，保證輸出電壓穩定。其中的燃料電池起到能量轉換的作用，蓄電池起到能量儲存的作用。
[0004]隨著燃料電池系統應用場景的不斷擴展，如何使燃料電池系統應用于便攜電子設備上已成為目前燃料電池領域的一個重要課題。這就需要盡量減小燃料電池系統的重量和體積，提高系統的集成度。現有的燃料電池系統多采用一級/ 二級DC/DC裝置實現燃料電池和蓄電池的電壓轉變，且系統中各模塊的控制器相互獨立，無法實現燃料電池和蓄電池的同一邏輯控制。這不僅增加了各模塊之間的通信鏈路，降低了數據傳輸的可靠性，而且所形成的燃料電池系統結構復雜，體積和重量都很龐大。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型實施例提供一種一體化燃料電池供電系統，能夠利用單個控制器對燃料電池供電系統進行協調管理，提高系統的集成化程度，減小系統的體積，減少生產成本，使得該燃料電池系統便于應用到便攜式產品上。
[0006]本實用新型實施例提供一種一體化燃料電池供電系統，該系統包括:燃料電池單元4、主控制器16、充電功率模塊15、放電功率模塊18、蓄電池單元5 ;
[0007]所述充電功率模塊15—端與所述燃料電池單元4連接，另一端與所述蓄電池單元5連接；所述放電功率模塊18 —端與所述蓄電池單元5連接，另一端與負載6連接；
[0008]所述充電功率模塊15和放電功率模塊18分別與所述主控制器16連接；所述主控制器16通過所述充電功率模塊15實現由所述燃料電池單元4向蓄電池單元5的充電；所述主控制器16通過所述放電功率模塊18實現由所述蓄電池單元5向負載6的放電。
[0009]其中，所述主控制器16控制所述充電功率模塊15對蓄電池單元5進行恒定電流或恒定電壓充電。
[0010]其中，進一步包括:防反灌電路14;
[0011]所述防反灌電路14的輸入端與燃料電池單元4連接，輸出端與負載6連接，用于阻斷蓄電池單元5對燃料電池單元4放電。
[0012]其中，所述防反灌電路14為一個二極管，或包括并聯的至少兩個二極管，或M0S管電路。
[0013]其中，進一步包括:總電流與總電壓傳感器17 ；
[0014]所述總電流與總電壓傳感器17分別與防反灌電路14和負載6連接，總電流與總電壓傳感器17的信號線與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測整個系統對外輸出的總電壓與總電流。
[0015]其中，所述充電功率模塊15包括電力電子電路151、電流檢測電路152、電壓檢測電路154和PWM控制電路153 ；
[0016]電力電子電路151的輸入端作為充電功率模塊15的輸入端與防反灌電路14的輸出端連接；電力電子電路151的輸出端作為充電功率模塊15的輸出端與蓄電池單元5連接，同時，所述電力電子電路151還包括電子開關PWM端、電流傳感器和電壓傳感器；
[0017]電流檢測電路152 —端與電力電子電路151的電流傳感器連接，另一端與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測蓄電池單元5的充電電流；
[0018]電壓檢測電路154 —端與電力電子電路151中的電壓傳感器連接，另一端與主控制器16的模擬量輸入口連接，用于檢測蓄電池單元5的充電電壓；
[0019]PWM控制電路153 —端與主控制器16的PWM輸出口連接，另一端與電力電子電路151的電子開關PWM端連接，用于接收主控制器16的PWM信號，控制電力電子電路151對蓄電池單元5充電。
[0020]其中，所述電力電子電路151包括第一 M0S管301、電感302、第一二極管303、第二二極管304和第二 M0S管305 ；
[0021]第一 M0S管301的柵極連接主控制器16，漏極連接燃料電池單元4，源極分別與第一二極管303的負極和電感302的一端連接；第二 M0S管305的柵極連接主控制器16、源極連接蓄電池單元5負極，漏極分別與電感302的另一端和第二二極管304的正極連接；第一二極管303正極與蓄電池單元5正極連接，第二二極管304負極與蓄電池單元5負極連接。
[0022]其中，進一步包括:電池均衡與安全監測電路156，所述電池均衡與安全監測電路156連接在所述蓄電池單元5和主控制器16之間。
[0023]其中，所述蓄電池單元5為包括至少一節鋰電池的鋰電池單元。
[0024]其中，所述電池均衡與安全監測電路156包括安全監測專用芯片、電池均衡專用芯片、熱敏電阻分壓電路、至少一個M0S管和至少一個限流電阻；
[0025]所述熱敏電阻分壓電路與所述安全監測專用芯片連接，用于檢測每一節鋰電池的欠壓信號、過壓信號和過溫信號；所述安全監測專用芯片與每一節鋰電池的正負極相連，并將欠壓信號、過壓信號和過溫信號返回至主控制器16 ;
[0026]所述每一個M0S管與一個限流電阻串聯，并分別與一節鋰電池并聯；所述電池均衡專用芯片分別與每一節鋰電池的正負極和每一個M0S管的柵極相連，并通過SPI總線與主控制器16連接。
[0027]其中，所述安全監測專用芯片為AD8280 ;和/或，所述電池均衡專用芯片為AD7280。
[0028]其中，所述放電功率模塊18為由電子開關組成的方向功率電路；所述電子開關的控制端與主控制器16連接，所述電子開關的功率回路與所述充電功率模塊15的輸入端和輸出端連接。
[0029]其中，所述放電功率模塊18為由M0S管組成的電子開關。
[0030]其中，進一步包括:燃料供給控制模塊10和燃料供給2 ;
[0031]所述燃料供給控制模塊10包括尾氣閥101、進氣閥102和壓力傳感器103 ；
[0032]所述進氣閥102 —端與燃料供給2通過氣路連接，另一端與燃料電池單元4進口通過氣路連接，所述進氣閥102用于向燃料電池單元4提供可燃氣體；
[0033]所述壓力傳感器103測量端與燃料供給2連接；
[0034]所述尾氣閥101 —端與燃料電池單元4出口通過氣路連接，另一端通過氣路連接到系統外部出氣口，所述尾氣閥101用于排出可燃氣體的燃燒尾氣；
[0035]進氣閥102和尾氣閥101的電氣端分別與主控制器16的控制端連接，壓力傳感器103與主控制器16的模擬量輸入口連接。
[0036]其中，所述壓力傳感器103、進氣閥102和尾氣閥101采用PCB板安裝固定。
[0037]其中，進一步包括:空氣供給控制模塊11和風扇3 ;
[0038]所述空氣供給控制模塊11包括風扇電源控制開關111，風扇轉速檢測電路112和風扇PWM控制電路113 ;
[0039]風扇PWM控制電路112 —端與主控制器16的PWM端連接，另一端與風扇3的控制端連接，用于調節風扇轉速；
[0040]風扇轉速檢測電路112 —端與風扇3的轉速反饋端連接，另外一端與主控制器16的模擬量輸入連接，用于檢測風扇轉速；
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