一种氢燃料电池电堆的控制系统的制作方法

本实用新型涉及能源管理领域，尤其涉及一种氢燃料电池电堆的控制系统。

背景技术：

氢燃料电池的产物是水，对环境没有任何污染，使用氢燃料电池作为机动车、非机动车的电能来源，得到了快速发展，因此氢能源助力自行车成为了一种理想的绿色出行交通工具。

由于氢燃料电池自身存在一定的应用限制，如反向电动势会损坏燃料电池、燃料电池的启动时的供能曲线尽可能平缓延时处理。在管理氢能源电池和辅助锂电池时，需要初期使用锂电池，缓慢增加氢动能，直到完全切换。氢能正常运转后在提供助力车做动力之余还将给锂电池充电，或在其他情况(检测锂电池需要补给时)给锂电池充电。

因此，需要一种氢燃料电池电堆的控制系统，可调配氢燃料电池与锂电池组的放电供能。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种氢燃料电池电堆的控制系统，使得氢燃料电池与锂电池组配合，向外部负载输出电能。

本实用新型公开了一种氢燃料电池电堆的控制系统，控制系统与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，控制系统包括：

电源电路，与一锂电池组连接，以接收锂电池组的供电电压，并将供电电压转换至工作电压；

中控电路，接收与氢燃料电池电堆连接的传感器组的状态数据，并形成控制指令；

排水电磁阀控制电路，与中控电路及氢燃料电池电堆内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制排水电磁阀；

进气电磁阀控制电路，与中控电路及进气电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制进气电磁阀；

风扇控制电路，与中控电路及风扇内的排水电磁阀连接，根据中控电路发送的控制指令控制风扇；

采样电路，与中控电路连接，采集与锂电池组的数据信号及氢燃料电池电堆的数据信号至中控电路；

剩余氢气检测电路，与所述中控电路连接，计算所述氢气罐内的剩余气量并发送至所述中控电路，所述中控电路根据所述剩余气量调节氢燃料电池电堆的电压和/或电流。

优选地，电源电路包括电压选择电路及sepicdctodc变换电路；

电压选择电路分别与锂电池组的vo+电压端及电压端vh连接，自vo+电压端及电压端vh间选择一输出电压；

sepicdctodc变换电接收电压选择电路的输出电压，将输出电压转换为第一组电压、第二组电压及第三组电压，并将第一组电压输出至传感器组，将第二组电压输出至风扇控制电路、排水电磁阀控制电路及进气电磁阀控制电路，将第三组电压输出至中控电路。

优选地，中控电路包括微控制单元u401及包括传感器组的外围元件；

微控制单元u401的接脚连接至进气电磁阀、排气电磁阀、风扇、输出电流传感器、负载电流传感器、气压传感器、锂电池组、温度传感器，以接收锂电池组电压信号、锂电池组电流信号、氢燃料电池电堆电压、氢燃料电池电堆电流信号、负载电流信号、氢燃料电池电堆温度信号、氢燃料电池电堆气压信号、氢气罐气压信号，从而生成控制指令。

优选地，采样电路包括锂电池组电压采样电路、锂电池组电流采样电路、氢燃料电池电堆电压采样电路、氢燃料电池电堆电流采样电路、负载电流采样电路、氢燃料电池电堆温度采样电路、氢燃料电池电堆氢气压采样电路及氢气罐气压采样电路。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.向外部负载供电时，为保护氢燃料电池电堆，先由锂电池组供电；

2.可有效地检测氢气的剩余量，根据剩余气量动态调节氢燃料电池电堆的放电情况；

3.智能调配氢燃料电池与锂电池组的充放电，最大化利用两电源的电能。

附图说明

图1为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的系统结构示意图；

图2为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的电源电路的电路设计示意图；

图3为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的中控电路的电路设计示意图；

图4为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的进气电磁阀控制电路的电路设计示意图；

图5为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的风扇控制电路的电路设计示意图；

图6为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的排水电磁阀控制电路的电路设计示意图；

图7为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的锂电池组电压采样电路的电路设计示意图；

图8为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的锂电池组电流采样电路的电路设计示意图；

图9为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆电压采样电路的电路设计示意图；

图10为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆电流采样电路的电路设计示意图；

图11为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的负载电流采样电路的电路设计示意图；

图12为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆温度采样电路的电路设计示意图；

图13为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢燃料电池电堆氢气压采样电路的电路设计示意图；

图14为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的氢气罐气压采样电路的电路设计示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本实用新型的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1，为符合本实用新型一优选实施例中氢燃料电池电堆的控制系统的系统结构示意图。控制系统用于对氢燃料电池电堆生成的电能作调配，因此，其与氢气罐、进气电磁阀及氢燃料电池电堆连接，控制氢气罐的放气时间、放气速度，控制进气电磁阀自氢气罐向氢燃料电池电堆放气的放气时间、放气速度，控制氢燃料电池电堆的输出电流、输出电压。为实现上述功能，控制系统包括有：

-电源电路

电源电路与一锂电池组连接，锂电池组内的电能向外供电时，即向电源电路输出一供电电压，电源电路接收到供电电压后，将其转换为各电压值的工作电压，如24v、12v、3.3v等，以供控制系统内各电路模块得电工作。

-中控电路

控制系统内还包括有传感器组，传感器组与氢燃料电池电堆连接，对氢燃料电池电堆的各状态进行监控，监控所得的状态数据将传送至中控电路，使得中控电路对状态数据中的异常状态形成控制指令。控制指令形成时，以通过调节与氢燃料电池电堆连接的电堆保护系统、充电系统的工作状态，使得氢燃料电池电堆正常工作。

-排水电磁阀控制电路

排水电磁阀控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内的排水电磁阀连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对排水电磁阀的控制信息时，将根据该控制信息控制排水电磁阀的打开或关闭。

-进气电磁阀控制电路

进气电磁阀控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内的进气电磁阀连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对进气电磁阀的控制信息时，将根据该控制信息控制进气电磁阀的打开或关闭。

-风扇控制电路

风扇控制电路与中控电路及氢燃料电池电堆内风扇连接，自中控电路接收控制指令，在控制指令内包含对风扇控制信息时，将根据该控制信息控制风扇的打开、关闭或风扇的运行速度。

-采样电路

采样电路与中控电路及氢燃料电池电堆连接，对氢燃料电池电堆、锂电池组及氢气罐、进气电磁阀、用电负载检测，以形成氢燃料电池电堆、锂电池组、用电负载、氢气罐、进气电磁阀的工作状态数据，并将该工作状态数据发送至中控电路，使得中控电路接收锂电池组的数据信号及氢燃料电池电堆的数据信号。

-剩余氢气检测电路

剩余氢气检测电路与中控电路连接，其可以是气体传感器的传感电路、中控模块(根据氢气的放气时间、对第一电流信号、第二电流信号检测后预估的氢气量)等设备内的计算单元，计算氢气罐内的剩余气量(直接检测或根据已放气时间、氢燃料电池电堆的已工作时间等)并发送至中控电路，中控电路根据剩余气量调节氢燃料电池电堆的电压和/或电流。例如，当剩余气量较少时，分级减少氢燃料电池电堆的输出电流，而降低部分控制锂电池组补足；当剩余气量较多时，可控制氢燃料电池电堆释放所需电量，或输出较大电流，以将部分分流至锂电池组供电，或在助力车上设置给用户的智能设备充电的接口，向上述智能设备供电等。

通过上述氢燃料电池电堆的控制系统的设置，可根据用电负载的用电情况、氢气罐的放气状态、进气电磁阀的放气状态，智能地调整氢燃料电池电堆的输出电流、输出电压以及锂电池组的充放电状态。

参阅图2，示出了一优选实施例中电源电路的电路设计示意图。该实施例中，电源电路包括电压选择电路及sepicdctodc变换电路；电压选择电路分别与锂电池组的vo+电压端及电压端vh+连接，自vo+电压端及电压端vh+间选择一输出电压；sepicdctodc变换电接收电压选择电路的输出电压，将输出电压转换为第一组电压、第二组电压及第三组电压，并将第一组电压输出至传感器组，将第二组电压输出至风扇控制电路、排水电磁阀控制电路及进气电磁阀控制电路，将第三组电压输出至中控电路，也就是说，通过对锂电池组的电能接收及转换，分别供应至传感器组、风扇控制电路、排水电磁阀电路及进气电磁阀控制电路使得上述电路正常工作。具体地，电压选择电路的两电压输入端与锂电池组及氢燃料电池电堆连接，分别接收锂电池组的36v输出电压及氢燃料电池的24v输出电压，并从二者间选择其中一个电压供应至sepicdctodc变换电路。电压选择电路的第一输出端连接至sepicdctodc变换电路，第二输出端接地。电压选择电路在进行电压选择时，若锂电池组的36v输出电压存在(锂电池组的电能足够)且氢燃料电池的输出电压小于20v，表示氢燃料电池电堆所连接的氢气罐内的氢气量不够，则电压选择电路会选择将锂电池组的36v输出电压供给sepicdctodc变换电路，以保护氢燃料电池电堆；若锂电池组的36v输出电压存在(锂电池组的电能足够)且氢燃料电池的输出电压大于20v，电路会选择将氢燃料电池的24v输出电压供给sepicdctodc变换电路，以提高系统的运行效率。隔离式多输出sepicdctodc变换电路由c501～c510、r501～r504、d501～d503、集成电路u501组成。电容c505～c507并联后一端接地，另一端与电压选择电路连接。集成电路u501的接脚4与电容c505～c507并联的一端连接，接脚5与电阻r504连接，且该电阻r504的一端与由电阻r501、r502、c508、c501、c502并联形成的rc电路连接，且与电阻r503并联，由电阻r501、r502、c508、c501、c502并联形成的rc电路的另一端接地。由电阻r501、r502、c508、c501、c502并联形成的rc电路与电阻r504连接的一端分别连接至12va电压端及二极管d501的负极。二极管d501的正极与电容c503、c504的并联电路连接，电容c503、c504的并联电路的另一端与集成电路u501的接脚1连接后接地，且电容c503、c504的并联电路与一电感连接。在集成电路u501的另一侧，接脚3和接脚6并接后，与接脚4并接至一电感。两电感还分别与二极管d502和二极管d503的正极连接，并分别与电容c509和电容c510的正极连接后，分别连接至12vb和24vc电压端。具有该sepicdctodc变换电路，其将电压选择电路输送的电压转换成24v、12va、12vb三组电压。其中24v电压用于提供至氢气罐压力传感器和氢燃料电池电堆的压力传感器供电；12va电压用于提供至风扇控制电路和电磁阀控制电路供电；12vb电压端通过电阻r505连接至集成电路u502，集成电路u502的vi输入端与电容c511和电阻r505的一端并接后，电容c511的另一端接地，集成电路u502的vo输入端连接至3.3v电压端，且与电容c512连接，电容c512的另一端、集成电路u502的gnd接脚接地。12vb电压通过集成电路u502，将12v电压转换成3.3v电压后，提供至中控电路供电。

参阅图3，示出了一优选实施例中的中控电路的电路设计示意图。在该实施例中，中控电路包括微控制单元u401及包括传感器组的外围元件；微控制单元u401的接脚连接至进气电磁阀、排气电磁阀、风扇、输出电流传感器、负载电流传感器、气压传感器、锂电池组、温度传感器，以接收锂电池组电压信号、锂电池组电流信号、氢燃料电池电堆电压、氢燃料电池电堆电流信号、负载电流信号、氢燃料电池电堆温度信号、氢燃料电池电堆气压信号、氢气罐气压信号，从而生成控制指令。具体地，微控制单元u401的接脚连接至电容c408、c409并联电路一端及3.3v电压端，电容c408、c409并联电路的另一端接地，微控制单元u401的接脚连接至输出电流端(pw微控制单元rrent)，微控制单元u401的boot0接脚通过电阻r410接地，微控制单元u401的接脚通过电阻r408连接至rxd1，微控制单元u401的接脚通过电阻r409连接至txd1，微控制单元u401的3.3von接脚通过电阻r437接地，微控制单元u401的接脚通过电阻r411连接至锂离子动力电池管理系统(hbmscondition)，微控制单元u401的接脚连接至tck，微控制单元u401的接脚连接至tms，微控制单元u401的接脚连接至排气电磁阀solenoidvalve1，及进气电磁阀solenoidvalve2，微控制单元u401的接脚连接至风扇pwmfan，微控制单元u401的接脚连接至开关powe_on，微控制单元u401的接脚连接至spi2_cs、spi2_mos1、spi2_miso、spi2_clk，微控制单元u401的接脚连接至锂离子动力电池管理系统(hbmscontrol)，微控制单元u401的接脚经电阻r415连接至reset，且与3.3v电压端连接，微控制单元u401的接脚连接至led1、led2、led3，微控制单元u401的接脚连接至rest，且通过电容c410接地，微控制单元u401的接脚与电容c406和c407的并联电路连接后接至3.3v电压端，微控制单元u401的接脚连接至outcurrentadc，微控制单元u401的接脚连接至libcurrentadc，微控制单元u401的接脚通过电阻r420连接至txd2，微控制单元u401的接脚通过电阻r421连接至rxd2，微控制单元u401的接脚连接至pressures1_adc及pressures2_adc，微控制单元u401的接脚连接至hbcurrent_adc，微控制单元u401的接脚分别连接至vo+_adc、temp_adc、vh_adc，微控制单元u401的接脚通过电阻r402连接至boost_en，微控制单元u401的接脚连接至boost_condition。

一优选实施例中，采样电路包括锂电池组电压采样电路、锂电池组电流采样电路、氢燃料电池电堆电压采样电路、氢燃料电池电堆电流采样电路、负载电流采样电路、氢燃料电池电堆温度采样电路、氢燃料电池电堆氢气压采样电路及氢气罐气压采样电路。

具体地，参阅图4，进气电磁阀控制电路包括集成电路，集成电路在进气电磁阀故障时断开电路，且可防止微控制单元u401故障或程序死机使电池阀误动作。参阅图5，风扇控制电路包括集成电路，集成电路的接脚与12v电压端连接，且连接至pwmfan及有一接脚接地，风扇的转速由pwm控制，向微控制单元u410发送风扇转速后，由微控制单元u401输出pwm信号驱动m401，再控制m404的导通/截止，从而改变供给风扇的平均电压，实现风扇的调速。参阅图6，排水电磁阀控制电路包括集成电路，集成电路在排水电磁阀故障时断开电路，且可防止微控制单元u401故障或程序死机使电池阀误动作。参阅图7，锂电池组电压采样电路包括rc电路，与vo+电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的vo+_adc，以采集锂电池组的电压。参阅图8，锂电池组电流采样电路包括rc电路，与uob电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的libcurrent_adc，以采集锂电池组的电流。参阅图9，氢燃料电池电堆电压采样电路包括rc电路，与vh电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的vh_adc，以采集氢燃料电池电堆的电压。参阅图10，氢燃料电池电堆电流采样电路包括rc电路，与uip电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的hbcurrent_adc，以采集氢燃料电池电堆的电流。参阅图11，负载电流采样电路包括rc电路，与uol电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的outcurrent_adc，以采集用电负载的输入电流。参阅图12，氢燃料电池电堆温度采样电路包括热电偶温度传感器及ntc热敏电阻温度传感器，热电偶温度传感器包括uc电路，集成电路的接脚与电容c404并联，且电容c404的两端分别连接至temp-和temp+，集成电路的其他接脚连接至spi2_miso、spi2_cs、spi2_clk及3.3v电压端；ntc温度传感器包括uc电路，uc电路与temp+及temp_adc连接，由电容滤波后，输出至微控制单元u401，以采集用氢燃料电池电堆的温度。参阅图13，氢燃料电池电堆氢气压采样电路包括rc电路，与24v电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的pressures2_adc，以氢燃料电池电堆氢气的气压。参阅图14，氢气罐气压采样电路包括rc电路，与24v电压端连接，经电阻分压后，由电容滤波后，输出至微控制单元u401的pressures1_adc，以氢气罐的气压。

应当注意的是，本实用新型的实施例有较佳的实施性，且并非对本实用新型作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。