一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法

本发明属于燃料电池系统控制，尤其涉及一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。

背景技术：

1、目前，随着人类社会文明的不断进步，能源消费日益增长，环境污染日趋严重。氢能作为一种绿色清洁能源逐渐走进大众的视野，是解决人类能源危机问题的有效方案。氢燃料电池（hydrogen fuel cell）是指利用氢气和氧气发生电化学反应，将内部化学能直接转变为电能的装置。其反应过程中只产生水和热，具有零污染、低噪声、高热值等优点，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。

2、阴极开放式氢燃料电池具有较为简单的辅助系统，无需在阴极利用空压机进行氧气供应，而是直接利用风扇组件抽入氧气，同时达到对电池散热的目的，降低了结构复杂度与制造成本。系统控制装置是用来监测燃料电池运行状态，依据现实负载功率需求及时调整系统内部状态，保持最佳功率输出环境的最小控制系统。燃料电池在运行过程中，其内部进行着非常复杂的物理化学反应，若控制装置保护措施不完善或控制方式不可靠时，会严重影响燃料电池的输出性能与寿命，更甚者会造成燃料电池的永久损坏。当前市场上的燃料电池价格昂贵，控制装置随燃料电池配套出售，若因操作不当造成装置损坏，其维修过程繁琐且成本较高，同时受限于厂商技术保密，个人无法进行二次开发设计。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、现有的燃料电池系统控制装置都与同品牌燃料电池配套出售，其价格昂贵、安全可靠性低、技术保密、二次开发设计难度较高、损坏后不易维修。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。

2、本发明是通过信号采集电路采集燃料电池系统电压、电流、温度、驱动等信号，由控制模块分析处理后向相关驱动电路发出控制信号，调整燃料电池运行状态，完成系统的安全稳定控制目标。一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置包括：

3、控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路；

4、所述控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，数据采样电路连接有传感器和分压采样电路，驱动电路与受控器件和外部设备相连；

5、所述控制模块用于接收来自数据采样电路的采样数据，经分析处理后向相关驱动电路发出控制指令；

6、所述数据采样电路用于进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；

7、所述驱动电路用于在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作。

8、进一步，数据采样电路包括开关信号采样电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、电池温度采样电路、装置供电采样电路、氢气检测采样电路、短路信号采样电路；

9、驱动电路包括开关驱动电路、警报驱动电路、输入输出驱动电路、氢供阀驱动电路、吹扫阀驱动电路、风扇驱动电路、短路驱动电路。

10、进一步，开关信号采样电路与开关驱动电路具体为：12v供电电源滤波与保护电路中的二极管d1负极输出端与复位开关s1、三极管qp1的发射极相连，复位开关s1两端并联电容c3，复位开关s1另一端经二极管d2后接三极管qp1的集电极，复位开关s1另一端同时分别经电阻r1和r2接地，电阻r1和r2之间引出采样口接入控制模块gpio64引脚，三极管qp1的基极与发射极间接电阻r3，三极管qp1的基极还与三极管qn1的集电极相连，三极管qp1的集电极还引出+12v电源端口并经电解质电容c4后接地，控制模块gpio65经电阻r4接三极管qn1的基极，qn1的发射极接地。

11、进一步，输入电压采样电路与输入输出驱动电路具体为：装置正极输入vin+依次经过电阻r5、可调电阻r6和电阻r7接地，同时电容c5并联在电阻r7两端，可调电阻r6的滑动触点和电阻r7相连，同时接入控制模块adcina0引脚；n沟道增强型场效应管m1、m2、m3和m4分别两两并联且源极共同连接模拟地agnd，装置正极输入vin+接n沟道增强型场效应管m1和m2的漏极，装置正极输出vout+接n沟道增强型场效应管m3和m4的漏极；控制模块gpio66引脚经电阻r9连接光耦隔离元件u4的an引脚，光耦隔离元件u4的cat引脚直接接地，光耦隔离元件u4的col引脚连接隔离供电12v与三极管qn2的集电极，光耦隔离元件u4的em引脚同时连接三极管qn2与三极管qp2的基极，且经电阻r10连接至三极管qp2的集电极最后共同连接模拟地agnd，三极管qn2的发射极和三极管qp2的发射极相连，同时连接n沟道增强型场效应管m1、m2、m3和m4的栅极，且经电阻r8连接至四个n沟道增强型场效应管的源极。

12、进一步，输入电流采样电路具体为：电流传感器u6的输入端口接燃料电池正极vfc_in，输出端口接装置正极输入vin+，电流传感器u6的正负极供电引脚分别连接+5v电源端口和地，采样数据输出引脚sfc经电阻r12连接运算放大器u7的同相输入端与电阻r13，电阻r13另一端接地，电容c6两端分别连接+5v电源端口和地，+5v电源端口依次经电阻r14、可变电阻r15、电阻r17接运算放大器u7的反相输入端，可变电阻r15的滑动触点与电阻r17相连，同时经电阻r16后接地，电阻r18与电容c7并联且分别连接运算放大器u7的反相输入端和输出端，运算放大器u7的正负极供电分别连接+5v电源端口和地，运算放大器u7的输出端接入控制模块adcina1引脚。

13、进一步，电池温度采样电路具体为：+5v电源端口经电阻r19和热敏电阻rt1接地，电容c8两端分别连接+5v电源端口和地，电阻r19与热敏电阻rt1连接端接入运算放大器u8的同相输入端，+5v电源端口经可变电阻r20和电阻r21接地，可变电阻r20的滑动触点也连接电阻r21且经电阻r22后与运算放大器u8的反相输入端相连，电阻r23与电容c9并联且分别连接运算放大器u8的反相输入端和输出端，运算放大器u8的正负极供电分别连接+5v电源端口和地，运算放大器u8的输出端接入控制模块adcina2引脚。

14、进一步，装置供电采样电路具体为：供电电源vs_12v与电解质电容c10正极相连，电解质电容c10负极接地，供电电源vs_12v经电阻r24、可变电阻r25与运算放大器u9的同相输入端相连，可变电阻r25的滑动触点与运算放大器u9的同相输入端相连，电阻r26两端分别连接运算放大器u9的同相输入端和地，运算放大器u9的正负极供电分别连接+5v电源端口和地，运算放大器u9的反相输入端与输出端相连，且输出端接入控制模块adcina3引脚；

15、短路信号采样与短路驱动电路具体为：+5v电源端口经电阻r27、电源开关s2和电阻r28后接地，电容c11并联在电源开关s2的两端，电源开关s2与电阻r28之间引出采样口接入控制模块gpio68引脚；+12v电源端口接电解质电容c12的正极，电解质电容c12的负极接地，+12v电源端口经电阻r29后分别与三极管qn4的基极和三极管qn5的集电极相连，电阻r30连接三极管qn4的基极和发射极，控制模块gpio69引脚经电阻r31后与三极管qn5的基极相连，电阻r32连接三极管qn5的基极和发射极，三极管qn4的发射极和三极管qn5的发射极相连接地，装置正极输入vin+与电解质电容c13正极相连，电解质电容c13负极接地，n沟道增强型场效应管m5和m6并联，装置正极输入vin+与n沟道增强型场效应管m5和m6的漏极相连，n沟道增强型场效应管m5和m6的源极接地，+12v电源端口经电阻r33后与n沟道增强型场效应管m5和m6的栅极相连。

16、进一步，氢供阀驱动电路具体为：+12v电源端口接电解质电容c14的正极，电解质电容c14的负极接地，+12v电源端口与三极管qn6的集电极相连，控制模块gpio70引脚经电阻r34后与三极管qn6和三极管qp3的基极相连，三极管qn6的发射极与三极管qp3的发射极相连，+12v电源端口接氢供阀u11的正极与二极管d3的负极，氢供阀u11的负极与二极管d3的正极相连，同时连接至n沟道增强型场效应管m7和m8的漏极，n沟道增强型场效应管m7和m8的源极接地，三极管qn6的发射极与三极管qp3的发射极经电阻r35与n沟道增强型场效应管m7和m8的栅极相连。

17、进一步，吹扫阀驱动电路具体为：+12v电源端口接电解质电容c15的正极，电解质电容c15的负极接地，+12v电源端口与三极管qn7的集电极相连，控制模块gpio71引脚经电阻r36后与三极管qn7和三极管qp4的基极相连，三极管qn7的发射极与三极管qp4的发射极相连，+12v电源端口接吹扫阀u12的正极与二极管d4的负极，吹扫阀u12的负极与二极管d4的正极相连，同时连接至n沟道增强型场效应管m9和m10的漏极，n沟道增强型场效应管m9和m10的源极接地，三极管qn7的发射极与三极管qp4的发射极经电阻r37与n沟道增强型场效应管m9和m10的栅极相连。

18、进一步，风扇驱动电路具体为：控制模块gpio10引脚经电阻r38连接光耦隔离元件u13的vin+引脚，光耦隔离元件u13的vin-引脚与数字地dgnd相连，+12v电源端口与光耦隔离元件u13的vcc引脚相连且经电解质电容c16连接gnd引脚并接地，光耦隔离元件u13的vo引脚分别与电阻r39和r40相连，电阻r39另一端接地，电阻r40另一端接n沟道增强型场效应管m11和m12的栅极，+12v电源端口接风扇u14的正极与二极管d5的负极，风扇u14的负极与二极管d5的正极相连，同时连接至n沟道增强型场效应管m11和m12的漏极，n沟道增强型场效应管m11和m12的源极接地。

19、本发明的另一目的在于提供一种阴极开放式氢燃料电池系统控制方法，所述阴极开放式氢燃料电池系统控制方法包括：

20、步骤一，利用数据采样电路进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；

21、步骤二，驱动电路在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作，实现燃料电池系统的控制。

22、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

23、第一，针对现今市场上的燃料电池控制装置功能简单，相关安全保护措施不完善和运行不智能等问题，本方案的优点及积极效果具体描述如下：

24、本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够在燃料电池系统启动前监测其采样数据，判断当前环境是否满足规定要求，根据判断结果进行有效的启停保护，保证了燃料电池系统有效的启动与停止；

25、本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够根据燃料电池系统自身运行特点，设计短路电路来优化燃料电池内部环境，延长其工作寿命，实现燃料电池系统的长寿命运行；

26、本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够在燃料电池系统运行过程中通过信号采集电路精确地采集燃料电池电压、电流、温度和环境氢气含量四种信号，利用高性能控制芯片实时监测分析处理采样数据，控制相应驱动电路，有效避免了系统运行过程中的低压、过流、高温和漏氢问题，保证燃料电池系统安全稳定运行；

27、本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能及时采集并处理异常信号，迅速执行相关驱动电路进行停机操作，避免对燃料电池造成不可逆的损伤。

28、第二，针对本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

29、本发明具备集成度高、成本低、安全性高、性能可靠、二次开发设计简单等特点，能够实现燃料电池系统从启动到停机整个运行周期的实时状态监测、分析处理和调整控制，实现燃料电池系统的安全智能运行。

30、第三，针对本发明技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明所属的燃料电池控制领域技术门槛高，市场需求大，可为燃料电池系统控制装置智能化设计提供技术基础，具有巨大的商业价值。