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1 燃料電池備用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
燃料電池存在的不足，使得其作為獨(dú)立的備用電源需要注意以下問(wèn)題：工作電源掉電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及備用電源不間斷切換；燃料電池啟動(dòng)輔助電源設(shè)計(jì)及管理；燃料電池備用電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；燃料電池備用電源功率補(bǔ)償控制。
1.2 工作原理
燃料電池備用電源系統(tǒng)在啟動(dòng)后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作電源的供電狀態(tài)及備用電源系統(tǒng)本身的狀態(tài)，并通過(guò)人機(jī)接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸。系統(tǒng)控制單元根據(jù)工作電源的供電狀態(tài)、蓄電池的SOC、備用系統(tǒng)狀態(tài)等控制備用電源系統(tǒng)中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止、蓄電池的充放電、備用電源的投入與切除。
在備用電源系統(tǒng)安裝完成后，閉合開(kāi)關(guān)K1為負(fù)載設(shè)備供電，同時(shí)燃料電池備用電源控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，再閉合開(kāi)關(guān)K2接入蓄電池。備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行工作電源供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工作電源供電正常時(shí)，備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，斷開(kāi)DK切除蓄電池供電，同時(shí)根據(jù)蓄電池的SOC對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工作電源供電中斷時(shí)，系統(tǒng)控制器立即閉合開(kāi)關(guān)DK，切換到蓄電池供電工作模式：蓄電池一方面為負(fù)載供電，另一方面為系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電提供啟動(dòng)電源。當(dāng)備用電源工作在蓄電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)工作電源是否恢復(fù)供電、燃料電池輸出是否穩(wěn)定、蓄電池SOC是否達(dá)到下限進(jìn)行狀態(tài)切換。在燃料電池輸出不穩(wěn)定、工作電源恢復(fù)供電時(shí)，自動(dòng)切除備用電源供電，停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時(shí)備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到燃料電池輸出穩(wěn)定、工作電源未恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入燃料電池供電模式：系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)DC／DC變換器，同時(shí)切換到燃料電池供電工作模式，負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)為由燃料電池供電；當(dāng)備用電源工作在燃料電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制單元監(jiān)測(cè)到工作電源供電恢復(fù)后，備用電源轉(zhuǎn)入待機(jī)工作模式，同時(shí)停止燃料電池發(fā)電，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電。備用電源各工作模式切換示意圖如圖2所示。
圖2 工作模式切換示意圖
1.3.1 蓄電池充電控制策略
備用電源工作在待機(jī)模式時(shí)，系統(tǒng)控制器在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的同時(shí)啟動(dòng)蓄電池充電。蓄電池充電管理單元通過(guò)檢測(cè)蓄電池當(dāng)前的SOC，并根據(jù)設(shè)置的SOC上限值SOCh及下限值SOCl控制對(duì)蓄電池的充放電。在SOC達(dá)到SOCh時(shí)，停止對(duì)蓄電池充電；當(dāng)SOC低于SOCh時(shí)，開(kāi)始對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。其充電控制策略為：
備用電源工作在燃料電池供電模式時(shí)，若燃料電池輸出功率PFC大于負(fù)載需求功率PLoad，系統(tǒng)控制單元將啟動(dòng)蓄電池充電管理單元對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，其充電控制策略與備用電源工作在待機(jī)模式時(shí)的充電控制策略相同。
1.3.3 電壓閾值補(bǔ)償控制策略
備用電源處于燃料電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制單元根據(jù)燃料電池輸出功率PFC、負(fù)載需求功率PLoad、蓄電池SOC等補(bǔ)償負(fù)載功率突變，其補(bǔ)償思想為：
如何檢測(cè)備用電源中燃料電池輸出功率小于負(fù)載需求功率是功率補(bǔ)償控制的關(guān)鍵。由于燃料電池備用電源直流輸出額定電壓為Uo，其允許連接的直流負(fù)載額定電壓即為Uo，當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸出直流母線(xiàn)電壓低于設(shè)計(jì)的額定電壓Uo時(shí)，說(shuō)明負(fù)載需求功率大于燃料電池輸出功率，導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓下降。因此可以設(shè)置一個(gè)直流母線(xiàn)電壓閾值下限UTL及上限UTH。當(dāng)直流輸出電壓Uo小于閾值UTL時(shí)，說(shuō)明負(fù)載需求功率超過(guò)燃料電池輸出功率，此時(shí)需要切入蓄電池進(jìn)行功率補(bǔ)償，同時(shí)控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)增大功率輸出；當(dāng)直流母線(xiàn)電壓Uo大于等于閾值UTH時(shí)，說(shuō)明燃料電池輸出功率已達(dá)到負(fù)載需求功率，此時(shí)可切除蓄電池的功率補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)蓄電池的SOC對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。電壓閾值補(bǔ)償控制策略為：
2.1 工作電源斷電檢測(cè)
工作電源中斷與恢復(fù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)將影響到備用電源的不間斷切換時(shí)間，可以選擇圖1中的點(diǎn)a或b進(jìn)行工作電源斷電檢測(cè)。點(diǎn)a處為交流，需采用交流檢測(cè)技術(shù)；點(diǎn)b處為直流，可采用分壓比較檢測(cè)技術(shù)。
對(duì)于直流供電一般是市電經(jīng)AC／DC變換器轉(zhuǎn)換成直流后給負(fù)載供電，由于AC／DC變換器輸出端有一定容量的電容，所以通過(guò)點(diǎn)b檢測(cè)斷電信息有一定的延時(shí)，不能準(zhǔn)確檢測(cè)到市電斷電時(shí)刻，導(dǎo)致系統(tǒng)控制單元不能在斷電瞬間投入備用電源而使負(fù)載存在斷電的危險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)點(diǎn)b進(jìn)行斷電檢測(cè)，其延遲時(shí)間約為50ms，不能滿(mǎn)足備用電源不間斷切換的要求。由于點(diǎn)a能直接反映出市電斷電瞬間的信息而不存在延遲，故選擇在點(diǎn)a進(jìn)行檢測(cè)，在交流斷電瞬間即可檢測(cè)到斷電信息，其檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。
圖4 工作電源斷電檢測(cè)原理圖
交流220V首先經(jīng)過(guò)整流二極管VD1—VD4整流成高壓脈動(dòng)直流，然后經(jīng)光耦隔離產(chǎn)生斷電信號(hào)。此處光耦起到電氣隔離的作用以避免對(duì)主控制器產(chǎn)生干擾及進(jìn)行信號(hào)電平匹配。當(dāng)交流有電時(shí)光耦導(dǎo)通，檢測(cè)信號(hào)ACST為高電平；當(dāng)交流斷電時(shí)光耦截止，檢測(cè)信號(hào)ACST為低電平。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，此檢測(cè)電路的檢測(cè)時(shí)間約為10ms。
2.3 CAN通信接口
CAN總線(xiàn)是工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信總線(xiàn)，具有通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此系統(tǒng)控制單元采用CAN通信接口與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及遠(yuǎn)端監(jiān)控中心進(jìn)行參數(shù)、命令傳輸，能保證通信的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。
由于C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器是一個(gè)協(xié)議控制器，它并沒(méi)有提供物理層的收發(fā)功能，要實(shí)現(xiàn)與CAN總線(xiàn)的通信接口，需要增加外部CAN收發(fā)控制器，實(shí)現(xiàn)CAN通信數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，其接口原理圖如圖6所示。
圖6 CAN通信接口電路
CAN總線(xiàn)信號(hào)CANTX和CANRX經(jīng)過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行電氣隔離，再經(jīng)CAN總線(xiàn)收發(fā)器接口芯片SN65HVD230驅(qū)動(dòng)后接到CAN總線(xiàn)上。光耦6N137實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與CAN總線(xiàn)間的電氣隔離，提高節(jié)點(diǎn)可靠性，并保護(hù)CAN總線(xiàn)上的其他節(jié)點(diǎn)。
3 系統(tǒng)控制單元工作流程
燃料電池備用電源系統(tǒng)控制單元是系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的采集、蓄電池充放電控制、燃料電池發(fā)電控制、供電電源不間斷切換及負(fù)載功率補(bǔ)償?shù)取溆秒娫聪到y(tǒng)具有3種工作模式：待機(jī)模式、蓄電池供電模式、燃料電池供電模式，不同模式下系統(tǒng)控制單元的任務(wù)不同，其控制單元工作流程如圖7所示。
圖7 工作流程圖
燃料電池備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)工作電源的供電情況進(jìn)入待機(jī)模式或蓄電池供電模式。若備用電源在工作電源供電正常時(shí)啟動(dòng)，則啟動(dòng)后備用電源進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)系統(tǒng)控制單元只負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)備用電源系統(tǒng)的待機(jī)狀態(tài)參數(shù)、控制蓄電池充電及備用電源異常報(bào)警。當(dāng)工作電源突然斷電時(shí)，控制單元立即檢測(cè)到斷電信號(hào)，先停止對(duì)蓄電池的充電，然后閉合開(kāi)關(guān)DK，由蓄電池為負(fù)載提供電源，切換到蓄電池供電模式，同時(shí)啟動(dòng)燃料電池發(fā)電。在燃料電池輸出穩(wěn)定之前，備用電源一直工作在蓄電池供電模式。當(dāng)系統(tǒng)控制單元檢測(cè)到燃料電池輸出穩(wěn)定后，控制單元啟動(dòng)DC／DC變換器，轉(zhuǎn)為燃料電池給負(fù)載供電。如果此時(shí)燃料電池輸出功率PFC大于負(fù)載需求功率PLoad即Uo>UTH時(shí)，則控制單元斷開(kāi)開(kāi)關(guān)DK，切除蓄電池供電，并根據(jù)蓄電池當(dāng)前SOC決定是否啟動(dòng)對(duì)蓄電池充電；如果負(fù)載突然增加或者燃料電池輸出功率PFC小于負(fù)載需求功率PLoad即Uo<UTL時(shí)，則控制單元閉合開(kāi)關(guān)DK切入蓄電池，由蓄電池、燃料電池共同為負(fù)載提供功率，實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出功率不足時(shí)，由蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償，保障負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
4 測(cè)試與分析
根據(jù)所提燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制策略，研制了一臺(tái)3kW燃料電池備用電源樣機(jī)。備用電源選用的燃料電池輸出電壓范圍為30~40V，凈輸出功率為3.5kW，蓄電池容量為60A·h。設(shè)計(jì)的備用電源輸出電壓為直流48V，功率為3kW。
4.2 工作模式切換測(cè)試
利用10kW電子負(fù)載代替實(shí)際直流負(fù)載設(shè)備，按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并將電子負(fù)載功率調(diào)節(jié)到3kW，對(duì)研制的燃料電池備用電源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在市電正常的情況下突然斷開(kāi)市電、在燃料電池供電模式下突然恢復(fù)市電供電，用示波器觀測(cè)直流母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)變化情況見(jiàn)圖9。
圖9 模式切換時(shí)直流母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)圖
圖9（a）是在燃料電池處于待機(jī)模式時(shí)，市電斷電瞬間系統(tǒng)控制自動(dòng)切換到蓄電池供電模式的電壓曲線(xiàn)，圖中蓄電池供電電壓只有44.4V，這是由多次試驗(yàn)后蓄電池容量降低導(dǎo)致的，示波器捕捉的切換時(shí)間大約為20ms。從圖中可以看到在負(fù)載功率為3kW的整個(gè)切換過(guò)程中，負(fù)載供電沒(méi)有中斷，只是發(fā)生了一定電壓跌落，導(dǎo)致電壓跌落的原因是蓄電池在多次試驗(yàn)后容量不足。圖9（b）是在燃料電池輸出穩(wěn)定后切換到燃料電池供電時(shí)的電壓波形圖。市電恢復(fù)供電時(shí)切換波形圖如圖9（c）所示。在燃料電池供電正常的情況下突然恢復(fù)交流供電，當(dāng)市電突然恢復(fù)正常供電后，系統(tǒng)控制單元立即檢測(cè)到交流供電恢復(fù)信號(hào)ACST為高，并按照設(shè)計(jì)的控制策略先發(fā)送停止燃料電池發(fā)電命令（圖中①處波形），同時(shí)切換到蓄電池供電模式。在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)確認(rèn)燃料電池停止發(fā)電后，系統(tǒng)控制單元立即切換到交流供電（圖中②處波形），并切除蓄電池供電進(jìn)入待機(jī)模式。示波器捕捉的由蓄電池模式恢復(fù)交流供電的切換時(shí)間大約為40ms。
5 結(jié)論
針對(duì)目前備用電源系統(tǒng)存在的不足及燃料電池良好的應(yīng)用前景，本文提出基于燃料電池的備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略，替代傳統(tǒng)的蓄電池或柴油發(fā)電機(jī)備用電源，可延長(zhǎng)備電時(shí)間、縮短切換時(shí)間、降低環(huán)境污染。隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池制造成本的下降，配套設(shè)施的逐漸完善，燃料電池作為一種高效節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，必將在備用電源中得到廣泛的應(yīng)用。
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