遲英姿 經(jīng)喆 韋森 姜良游 胡明敏

摘要：通過混合動(dòng)力控制電路板將氫氧燃料電池和鋰電池并聯(lián)，并將氫氧燃料電池作為主電源進(jìn)行供電，當(dāng)氫氧燃料電池供電不足時(shí)切換至鋰電池供電，從而達(dá)到延長載體續(xù)航時(shí)間的目的。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力控制電路板;氫氧燃料電池;鋰電池

中圖分類號(hào)：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0009-02

0? 引言

氫產(chǎn)業(yè)鏈包含氫能源的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用。氫能源可以廣泛用于傳統(tǒng)領(lǐng)域和氫動(dòng)力新化合物，以及用于發(fā)電的氫能，如分布式熱能、二級(jí)源等。從環(huán)保角度出發(fā)，由于能源需求量不斷增加，整體的二氧化碳排放量急劇增加，所以低碳、環(huán)保、安全、可循環(huán)利用等系列能源研發(fā)和推廣的方向是一往無前的。氫能和氫氧燃料電池污染性大大降低，符合國家的推廣政策，隨著人類大量使用石油、煤炭等不可再生能源，造成它們的儲(chǔ)量逐步減少，導(dǎo)致能源緊缺，氫能源和氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化率較高、噪音低、可環(huán)保型，因此非常適合作為替代品廣泛使用。

1? 整體構(gòu)造

1.1 研究目的? 在鋰電池穩(wěn)定輸出時(shí)通過集成控制電路控制氫氧燃料電池為鋰電池提供電能補(bǔ)給，同時(shí)檢測每塊鋰電池電芯的電壓。

1.2 方案優(yōu)化? 氫氧燃料電池的能量密度較高，穩(wěn)定輸出時(shí)電壓較高，需要通過降壓模塊將電壓降低達(dá)到平衡充電的電壓。當(dāng)輸出電壓被降低時(shí)，會(huì)造成電能的損失，勢必會(huì)使充電效能的損失，導(dǎo)致可續(xù)航時(shí)間不能達(dá)到預(yù)期。當(dāng)兩電池分別單獨(dú)供電時(shí)，電能能得到最大的使用。通過混合動(dòng)力控制電路板，使兩塊電池并聯(lián)在輸入端，當(dāng)主電源電能不足時(shí)，自動(dòng)切換至另一塊電池進(jìn)行供電，從而減小充電的電能損耗，提升電能的使用效能。

1.3 材料選擇? 單片機(jī)選用STC15W401AS單片機(jī)，STC系列單片機(jī)體積小，反應(yīng)不僅快且穩(wěn)定，寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，寬溫度范圍——-40～+85℃，以保證在復(fù)雜環(huán)境下的使用。P信道增強(qiáng)模式場效應(yīng)晶體管，對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓，并保證兩輸出端不會(huì)以為電壓降低而導(dǎo)致回流，損壞電池。LED燈、電阻、電容。

1.4 氫氧燃料電池? 選用JRD-S100W氫氧燃料鋰電池，額定功120W、額定電12V、直流電壓范圍10-17V額定電流10A。當(dāng)氫氣通入氫氧燃料電池后，氫氧燃料電池系統(tǒng)就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在氫氧燃料電池啟動(dòng)時(shí)候請(qǐng)不要加載任何負(fù)載。氫氧燃料電池啟動(dòng)后，可以根據(jù)需要在額定功率范圍內(nèi)逐步增加負(fù)載，但不能立即加到額定功率。氫氧燃料電池發(fā)生過流情況，控制報(bào)警器顯示，電堆電壓在10-17V都可以正常運(yùn)行。關(guān)閉氫氫氧燃料電池，當(dāng)準(zhǔn)備關(guān)閉氫氧燃料電池時(shí)，請(qǐng)確認(rèn)負(fù)載已經(jīng)關(guān)閉，然后關(guān)閉氫氣閥門，在關(guān)閉氫氣閥門后風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘，直至電池中的氫氣耗完。

1.5 混合動(dòng)力控制電路板實(shí)物（圖1）? 通過STC15W401AS單片機(jī)、P信道增強(qiáng)模式場效應(yīng)晶體管、電阻、電容、LED燈構(gòu)成該控制板。通過晶體管對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓，由單片機(jī)對(duì)整個(gè)電路的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)主電源電壓低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切換至備用電源，確保在切換的瞬間不間斷供電;當(dāng)主電源電壓恢復(fù)至高于設(shè)定值一定值時(shí)，再自動(dòng)切換回主電源供電。為保證能夠穩(wěn)定輸出，故將備用電源切換至主電源電壓略高于設(shè)定值。

可通過混合動(dòng)力控制板上LED燈觀察目前供電電源是主電源或備用電源。當(dāng)紅燈亮起時(shí)，由主電源進(jìn)行供電;當(dāng)切換至備用電路時(shí)，紅點(diǎn)熄滅，綠燈亮起。

2? 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備? 試驗(yàn)器材：JRD-S100W氫氧燃料電池、混合動(dòng)力控制電路板、3S鋰電池（850mA）、氫氣（容量1L，氣壓9MPa）、減壓閥、自制小車、導(dǎo)管。

將器材布置在自制小車上，試驗(yàn)分別為鋰電池、氫氧燃料電池通過混合動(dòng)力控制板單獨(dú)供電及氫氧燃料電池為主電源的混合供電。因目的由氫氧燃料電池作為主電源供電，故電路板將混合動(dòng)力控制電路板主電源接口設(shè)計(jì)成連接氫氧燃料電池，備用電源接口連接鋰電池。

2.2 電路實(shí)驗(yàn)

2.2.1 鋰電池與氫氧燃料電池并聯(lián)? 與下面第三個(gè)連接混合動(dòng)力控制電路板做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，采用鋰電池與氫氧燃料電池并聯(lián)的連接方式對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。開始時(shí)只連接鋰電池，鋰電池正常輸出。當(dāng)接入氫氧燃料電池，鋰電池電流迅速下降，最終電流顯示負(fù)輸出，處于充電狀態(tài)。接入負(fù)載后，氫氧燃料電池輸出加大，鋰電池充電電流增大，但電壓保持不變。（圖2所示）當(dāng)氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時(shí)，會(huì)對(duì)鋰電池進(jìn)行不均衡充電，會(huì)損壞鋰電池電芯。當(dāng)氫氧燃料電池功率降低低于鋰電池時(shí)，鋰電池會(huì)對(duì)氫氧燃料電池進(jìn)行供電，導(dǎo)致回流而損壞氫氧燃料電池。當(dāng)氫氧燃料電池電池功率輸出高于鋰電池時(shí)，會(huì)對(duì)鋰電池進(jìn)行不均衡充電，會(huì)損壞鋰電池電芯。當(dāng)氫氧燃料電池功率降低低于鋰電池時(shí)，鋰電池會(huì)對(duì)氫氧燃料電池進(jìn)行供電，導(dǎo)致回流而損壞氫氧燃料電池。

2.2.2 氫氧燃料電池電壓、電流降低曲線? 當(dāng)氫氧燃料電池氫氣供給不足時(shí)，電壓、電流降低。（圖3所示）當(dāng)氫氣停止供給，氫氧燃料電池反應(yīng)停止，電流下降趨勢較電壓下降趨勢平緩。

2.2.3 混合動(dòng)力控制電路板? 將氫氧燃料電池接入主電源端口，而鋰電池作為備用電源進(jìn)行連接。氫氧燃料電池從氫氣流入氫氧燃料電池反應(yīng)堆時(shí)開始產(chǎn)生電能，因?yàn)闅溲跞剂想姵氐碾妷簳?huì)逐步穩(wěn)定，所以將始終穩(wěn)定輸出的鋰電池作為備用電源端通過混合動(dòng)力控制電路板進(jìn)行穩(wěn)定輸出。當(dāng)氫氧燃料電池的輸出趨于穩(wěn)定時(shí)，自動(dòng)切換至主電源供電。（圖4所示）混合動(dòng)力控制電路板通過三極管保證在輸出端兩個(gè)供電端口不會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象從而損壞電池。當(dāng)主電源供電電流開始降低時(shí)，備用電源開始電流補(bǔ)給;當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切換至備用電路，完全由備用電源進(jìn)行供電。在切換時(shí)不會(huì)使負(fù)載產(chǎn)生短暫的停頓或出現(xiàn)設(shè)備重啟的現(xiàn)象。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證? ①不使用混合動(dòng)力控制電路板的情況下，輸入端的高功率端會(huì)對(duì)低功率端進(jìn)行供電，鋰電池會(huì)因?yàn)椴痪夤╇姸鴵p壞，氫氧燃料電池會(huì)因回流而損壞;接入混合動(dòng)力控制電路板后，通過晶體管防止了電源回流的現(xiàn)場。②不使用混合動(dòng)力控制電路板的情況下，輸出的電流由高功率端進(jìn)行輸出，低功率端處于充電狀態(tài);接入混合動(dòng)力控制電路板后，不供電的輸入端，保持著穩(wěn)定的電壓輸出，基本沒有電流輸入。

3? 結(jié)語

本文主要通過控制電路板對(duì)氫氧燃料電池和鋰電池的混合動(dòng)力使用進(jìn)行延長，旨在載體的整體續(xù)航時(shí)間。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，通過改變減壓閥的壓力閥值，設(shè)置單路氫氧燃料電池輸出、單路鋰電池輸出以及雙路氫氧燃料電池—鋰電池混合輸出，得到以下結(jié)論：在該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，通過控制板能夠使雙電源進(jìn)行無間斷輸出，小車整體運(yùn)行時(shí)間得到延長，相較于單路3S電池與單路氫氧燃料電池輸出，雙電源方案使主電源能有效延長續(xù)航時(shí)間，并且當(dāng)氫氧燃料電池氫氣耗盡無法供電時(shí)，控制板會(huì)自動(dòng)切換至鋰電池進(jìn)行輸出負(fù)載，切換期間不會(huì)使小車控制器重啟和小車動(dòng)力停止，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。但在由主電源進(jìn)行負(fù)載輸出時(shí)，隨主電源使用時(shí)間越長，鋰電池的使用時(shí)長會(huì)有微量的減少。

正常的電源切換時(shí)會(huì)有短暫的空檔期，但我們可以通過這塊混合動(dòng)力控制電路板將這一空檔期減小到一個(gè)極小值，不會(huì)對(duì)負(fù)載的運(yùn)作產(chǎn)生影響。當(dāng)主電源的輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切換至備用電路，當(dāng)主電源的輸出電壓恢復(fù)至高于設(shè)定值的一定值時(shí)，再切換回主電源供電。高于設(shè)定值是為了保證主電源電壓是否可以穩(wěn)定的高于設(shè)定值輸出，確保不會(huì)降低負(fù)載的功率。在氫氣輸入穩(wěn)定的情況下，氫氧燃料電池可以有效的提升續(xù)航時(shí)間。

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