我國幅員遼闊，各種自然災害頻發，在搶險救災和突發事件處置中常用的應急供電設備汽油發電機比較笨重、噪音大且釋放有害氣體，鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等連續供電時間短且在應急場合無法提供充電恢復。本文提出一種利用PEM燃料電池、鋰電池聯供的應急供電系統，儲氫容器更換時期間也可以保證連續供電，控制系統採用模糊算法，根據鋰電池SOC、燃料電池最佳工作狀態以及負載情況，進行能量動態分配與管理。研製了在應急場合使用的樣機，該系統連續供電時間長（是目前常用設備的2～3倍），無噪音、零排放，可取得良好的效果，是搶險救災應付突發事件的理想應急供電裝備。
1 系統組成
燃料電池應急供電系統組成如圖1所示。
系統由120 W質子膜燃料電池、燃料電池控制器、鋰電池及管理系統、能量管單元組成。鋰電池的指標為13.2 V/10 Ah，以保證燃料電池故障狀態下或燃料耗盡更換不及情況下應急滿功率支持1 h的戰術要求。燃料電池電堆指標：功率為120 W，輸出電壓為15 V～28 V。燃料電池控制器主要完成對電堆溫度、輸入氫氣和空氣壓力、流量、以及電堆異常情況進行控制和監測，並通過CAN總線將信息傳輸至系統控制器。系統控制器主要完成對負載大小、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實時檢測並根據模糊算法動態進行能量管理，使應急供電系統個部件工作在最佳狀態，以提高整機效率和關鍵部件使用壽命。
2 電路設計
2.1 充電與電池管理電路
鋰電池充電電路如圖2所示。直流電壓經過隔離二極體D5加到MAX1873的15腳。Ql為充電驅動信號輸出開關管。R4為充電電流檢測電阻，用於檢測輸出電流的大小。R2為系統電流的檢測電阻。R5、R6為輸出充電電壓調整電阻。
燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經過隔離二極體D5和總電流檢測電路，一路經過R2、DC/DC電路至輸出端，另一路通過Q1、電感L1、D6和R4向鋰電池充電。R4上的電壓與充電電流成正比，經電壓誤差放大器放大，轉換成直流分量輸人微處理器，微處理器將從MAX1873的14腳輸出反向控制電壓，使Ql的導通電流減小。如果流經R4上的電流過小，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應增加，則會使電池組有一個恆定的電流值。當電流很小且達到充電電流最小值或0時，MAX1873從14腳輸出低電平的脈衝控制信號，關斷BGl，停止對電池充電。當控制輸入端為低電平時，BG2導通，充電控制腳6腳（ICHG/EN）為低電平，14腳輸出低電平，BG1關斷，停止充電，此時充電電流僅為1 μA，處於關閉狀態（充電被禁止）。
2.2 直流變換與控制電路
DC/DC變換電路採用XL4012集成變換器，輸入電壓3.6 V~36 V，2 800 kHz的開關頻率，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調，轉換效率高達95%，最大輸出電流12 A，外圍電路簡單。
應急供電系統需要檢測的參數比較多：燃料電池的輸出電壓、輸出電流；充電與BMS的充電電流、電池電壓和電池SOC；輸出端的輸出電流、輸出電壓。因此需要擴展A/D接口，系統控制採用89S51CPU，A/D採用TLV2543晶片，該晶片有10路模擬電壓輸入，與單片機採用串行接口，佔用口線資源較少，轉換速度比較快，顯示採用LCD1602液晶顯示，不採用背光時液晶動態電流不大於5 mA，主要顯示燃料電池工作狀態，鋰電池SOC及充放電情況，輸出電壓、輸出電流信息，整機效率等供電信息。
3 模糊控制算法
讓燃料電池處於最佳狀態，同時讓鋰電池荷電狀態在SOCmin以上。 以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調節鋰電池的輸出功率。對鋰電池而言, 當蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小於或等於30%時，鋰電池必須充電；當SOC在50%～70%時，視負載需求功率情況，可以充電也可以放電；當SOC大於90%時不充電。以負載功率Pg和鋰電池荷電狀態SOC為模糊控制的輸入變量，以燃料電池分配輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pb為模糊控制器的輸出變量。模糊輸入變量Pg和SOC基本論域為[0，100] W和[30，90]%，將輸入變量模糊化，模糊子集為{ZO（零）， PS（正小），PM（正中），PB(正大)}；模糊輸出變量Pb的論域為[-100，110] kW，模糊子集也為{NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}，模糊輸出變量Pfc的論域為[0，110] kW，模糊子集也為{ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。
模糊控制器以負載功率Pg和鋰電池的荷電狀選擇輸入、輸出模糊變量的隸屬度函數為三角形如圖3、圖4、圖5和圖6所示。
5 系統仿真
在Matlab仿真系統中建立模糊控制器，取模糊控制的輸入變量目標功率Pg和鋰電池的荷電狀態SOC的論域為[-100，110] W和[30，90]%，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率Pfc、鋰電池分配輸出功率Pb的論域分別為[0，110] kW、[-100，110] W。鋰電池為10 Ah/13.2 V，電池初始荷電狀態SOC=60%。同時在 Matlab/Simulink取時間為0～15 min，其仿真波形如圖8所示。
6 樣機測試與評估
根據電池SOC和負載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進行動態分配和管理，研製了樣機，實際測試表明：整機供電效率在90%以上，比功率為120 W/500 g。在鋰電池初始SOC=80%時可為容量為600升的金屬儲氫罐連續供電時間16 h左右。連續工作時間以及維護等方面比傳統應急供電裝備性能有極大提高，目前已經在進行產業化，極具推廣價值。
參考文獻
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