一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统

1.本发明涉及能源管理技术领域，是一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料所具有的化学能转化成电能的化学装置，其不受卡诺循环限制，效率高，且没有机械传动部件，无噪声和有害气体污染。因此燃料电池是一种极有发展前景的发电技术。
3.相比于传统的锂电池，燃料电池目前存在的问题是输出不稳定，受环境因素及负载变化影响。在一些需要大电流供电的场合，燃料电池会因为负载变化过大而失效，而失效的恢复时间较长，单燃料电池供电会存在掉电工况。因此需要提出一种锂电池与燃料电池的混合能量管理系统，可以充分利用燃料电池的能量释放，并使用锂电池保证系统的可靠性。


技术实现要素：

4.本发明为了在系统刚上电时，由锂电池控制泵液阀等设备驱动燃料电池反应，燃料电池经过一段时间达到可输出状态，系统监测到并实现锂电池和燃料电池切换，在负载较大时，可实现切换回锂电池供电，在轻负载状态下可使用燃料电池对锂电池充电，本发明提供了以下技术方案：
5.一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统，所述系统：燃料电池、锂电池、第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、充电ic和负载；
6.所述燃料电池和锂电池的能量分别输出到第一开关和第二开关，并由负载通过第一开关和第二开关控制两种能量是否输出；
7.所述第一开关和第二开关的输出端分别连接到第一二极管和第二二极管的阳极，第一二极管和第二二极管的阴极连接，并输出到负载和充电ic；所述充电ic由负载控制，系统上电后控制充电ic不对后级充电。
8.优选地，系统上电后，第一开关断开，第二开关闭合，锂电池为负载供电，负载得电，充电ic不对锂电池充电；
9.所述负载周期性检测燃料电池状态，当燃料电池满足输出需求后，先导通第一开关，关断第二开关，切换为燃料电池对负载放电。
10.优选地，当检测到燃料电池输出达到轻负载条件时，控制充电ic对锂电池充电；当检测到燃料电池不满足轻负载条件时，控制充电ic停止对锂电池充电。
11.优选地，当检测到负载过大，电堆温度过高，或燃料电池运行不稳定，燃料电池输出电压不满足输出需求时，先导通第二开关，后关断第一开关，切换为锂电池为负载供电；等待燃料电池状态恢复，重新切换为燃料电池供电。
12.优选地，判断燃料电池是否达到轻负载条件，需根据燃料电池输出电压和电堆温
度等综合判断，燃料电池输出电压高于预设放电电压阈值，且电堆温度未超过预设高温阈值，即认为达到轻负载条件。
13.优选地，燃料电池是否达到输出需求，和燃料电池是否达到轻负载条件，所设电压阈值均为迟滞阈值。
14.本发明具有以下有益效果：
15.本发明系统默认为锂电池供电，可实现系统启动运行，之后可根据燃料电池运行状态和负载状态实现燃料电池和锂电池切换为负载供电，并能够实现在轻负载状态下使用燃料电池对锂电池充电。
16.通过开关逻辑的设计并加入二极管，防止了能量切换过程中的电压倒灌问题和切换延时导致的负载掉电问题。
附图说明
17.图1为基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统的结构框图；
18.图2为基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统的运行流程图。
具体实施方式
19.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
20.具体实施例一：
21.根据图1至图2所示，本发明提供一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统，如图1所示，实线表示能量流动，虚线表示信号传递。
22.能量源燃料电池连接到第一开关，其运行状态的检测结果信号传递给负载中的微控制器处理。
23.能量源锂电池连接到充电ic和第二开关，为第二开关供能，并由充电ic充电。
24.负载连接到第一开关、第二开关和充电ic的使能端，对三者实现控制。
25.第一开关连接到第一二极管的阳极，第二开关连接到第二二极管的阳极，两个二极管的阴极相互连接，并输出到充电ic和负载。
26.所述负载在锂电池放电使其得电后，周期性检测燃料电池的运行状态，当燃料电池满足输出条件后，先将第一开关闭合，后将第二开关断开，切换为燃料电池供电。需根据燃料电池输出电压、压力、温湿度等综合判断燃料电池是否满足输出条件。切换为燃料电池供电后，所述负载继续周期性检测燃料电池的运行状态，当检测到燃料电池不满足输出条件时，负载控制先将第二开关闭合，然后将第一开关断开，切换为锂电池为负载供电。燃料电池不满足输出条件的情况包括：当负载过大，燃料电池输出电压过低，或燃料电池电堆温度过高和压力不足。
27.在切换为燃料电池供电时，先将第一开关闭合，将燃料电池输出接入负载供电端，然后将第二开关断开，燃料电池为负载供电。在切换为锂电池供电时，先将第二开关闭合，将锂电池输出接入负载供电端，然后将第一开关断开，锂电池为负载供电。这样的控制逻辑，可以避免在切换的过程中负载掉电，连接到第一开关和第二开关的两个二极管可防止燃料电池和锂电池电压相互倒灌。
28.两个二极管的阴极输出可为负载和充电ic供能，当第一开关和第二开关两者的输
出电压不同时，输出到两个二极管阴极的电压为更高的电平，而低电平一侧的二极管反向截止，防止了两种能量源电压相互倒灌。当其中一种能量输出关断时，另一种能量通过二极管直接释放，对于负载，其间不存在能量注入的延时，保证了负载在能量切换时不掉电。
29.所述负载既包含了燃料电池反应的控制设备、也包括了以及燃料电池和锂电池后级需要供电的负载。燃料电池的控制设备包括泵液阀，电堆散热器、储液阀等，燃料电池和锂电池后级需要的负载包括微控制器、电源管理芯片、以及一些常规负载，微控制器用来采集燃料电池的工作状态，并控制系统中开关的通断，实现控制逻辑，电源管理芯片用来转换锂电池或燃料电池的输出电压得到符合微控制器工作需求的供电电压，以上提到的负载均由燃料电池或锂电池供电，但其工作机理，具体的设计参数不是本专利的研究重点。
30.燃料电池开路和重负载状态下电压波动较大，所述第一开关和第二开关选型时应使其工作电压覆盖燃料电池输出波动电压，过电流能力应超过系统需求的最大电流，并且电压范围和电流范围均需要留有一定余量。第一开关之前需加入一定的滤波电容和tvs应对浪涌电压影响，必要时可在第一开关前加入防反接电路和保险丝，防止用户反接或短路情况导致电路烧毁。
31.所选第一二极管和第二二极管的过电流能力应超过系统需求的最大电流，且需要留有一定的余量。
32.如图2所示，为所述混合能量管理系统的工作流程图，系统上电，第一开关默认断开，第二开关默认闭合，锂电池为负载供电。
33.负载在得电后，周期性检测燃料电池状态，当满足输出条件，先闭合第一开关，再断开第二开关，切换为燃料电池为负载供电。
34.切换为燃料电池供电后，负载仍周期性检测燃料电池状态，当不满足输出条件，先闭合第二开关，后断开第一开关，切换为锂电池供电，之后重新检测燃料电池状态，当其满足输出条件进行能量切换。另外充电电路设计需参考燃料电池的放电能力。
35.切换为燃料电池供电后，负载会周期性检测燃料电池状态和负载状态，当满足轻负载条件，使能充电ic为锂电池充电，当检测到不满足轻负载条件，关闭使能充电ic，不再对锂电池充电。当切换为锂电池供电时，不会进行轻负载检测。
36.因负载过大切换为锂电池供电之后，等待燃料电池状态恢复，所述负载周期性检测燃料电池状态，当输出电压和压力、温湿度满足输出条件，重新切换为燃料电池供电。
37.所述负载在切换燃料电池供电后，周期性检测燃料电池状态和负载状态，当判断系统处于轻负载状态时，控制充电ic为锂电池充电，其后当判断系统脱离轻负载状态时，控制充电ic不再为锂电池充电。需根据燃料电池输出电压和电堆温度等综合判断系统是否处于轻负载状态。
38.对于燃料电池是否满足输出条件的判断，或燃料电池是否满足轻负载条件，所设电压阈值均为迟滞阈值。举例为：燃料电池输出电压达到12v(高压阈值)且气压、温湿度满足输出要求，切换燃料电池供电，当燃料电池电压下降到10v(低压阈值)，才会切换回锂电池供电。对于轻负载条件也是如此，满足轻负载条件时应为高阈值电压，退出轻负载条件时的低阈值电压，存在一定的迟滞，燃料电池开始对锂电池充电时，由于加入了一定负载，燃料电池输出电压下降，一定的迟滞避免了燃料电池对锂电池充放电状态的反复切换。
39.轻负载条件的低压阈值应高于燃料电池输出条件满足的高压阈值，燃料电池优先
为负载供电，在负载较小时才决定为锂电池充电。
40.以上所述仅是一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统的优选实施方式，一种基于燃料电池和锂电池的混合能量管理系统的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。