微小型燃料电池混合电源计算机能量管理策略

张文卿，容旭巍

（石家庄学院，河北石家庄 050035）

燃料电池(fuel cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置[1]。燃料电池具有两个主要的优点：第一个是能量转化效率高，这是由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。所以燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%左右，比火力发电和核电的效率大约高10%～20%左右；燃料电池的另一个优点是负荷响应快，运行质量高，可以在数秒钟内从最低功率变换到额定功率。由于以上特点，燃料电池被视为未来化石能源的重要替代品之一，具有良好的发展前景。

虽然科学界对燃料电池成为未来主要能源持乐观态度，但是燃料电池自身的一些缺点导致其距离大规模的商用还有很远的一段路程。目前，燃料电池最主要的技术难题是高温时寿命短及稳定性不理想，这就需要对燃料电池的运行过程进行实时监控。基于以上想法，研究基于单片机管理的计算机能量管理系统就成为了必要之举。

1 燃料电池的工作原理

燃料电池的基本原理，利用了一种叫质子交换膜的技术（质子交换膜在燃料电池内部为质子的迁移和输送提供通道），使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。为了使燃料更容易分解为质子，燃料内部加入了一定的催化剂而形成了催化层，只要外界能够源源不断地供应燃料，就可以产生持续不断的电能[2]。

在燃料电池中，负极常称为燃料电极或氢电极，一般由氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气来构成；正极称为氧化剂电极、空气电极或氧电极，多以空气中的氧作为正极。燃料电池的反应为氧化还原反应，电极的作用来自于两个方面，一方面是传递电子，形成电流；另一方面是在电极表面发生多相催化反应，而电极材料并不参与反应。以液态甲醇作为负极、氧气作为正极为例，来说明燃料电池的工作原理。

将甲醇和水的混合物送至正极，甲醇和水在催化剂的作用下发生氧化反应生成二氧化碳，并释放出电子和氢质子。正极所产生的氢质子在质子交换膜的作用下穿过电解质迁移至负极，并与氧气反应生成水，而正极所产生的电子从正极经外电路经过负载流向负极形成直流电；而一部分甲醇也随着这一过程从正极渗漏到了负极，在负极催化剂的作用下，与氧气反应生成二氧化碳和水。

由于燃料电池只要外界不断地供给燃料和氧化物，电能就会源源不断地产生，因而燃料电池的容量是无限的。但是燃料电池的性能又直接受到系统内活性物质的影响，特别是当负载变得较大时，短时间内能够参加反应的活性物质不会发生大的变化，因此无法瞬间释放大的电流来满足负载的要求，会导致燃料电池的工作性能下降，因此，需要一种辅助的能源管理系统作为支撑。

2 混合电源系统基本原理

在众多的燃料电池中，甲醇燃料电池以其原材料丰富、活性强等优点被广泛应用。但是甲醇燃料电池和其他燃料电池一样，也具有工作电压及功率不够稳定的缺陷。为了解决以上问题，目前常用混合电源技术来进行协调。所谓的混合电源技术就是指以燃料电池为主电源，以燃料电池所产生的电流来满足负载的大部分需求，而当燃料电池的性能下降时，以超级电容或辅助电池等储能元件作为辅助电源。当燃料电池发出的电能大于负载所需的电能时，将过剩的能量储存在辅助电源中；当燃料电池发出的电能小于负载所需的电能时，辅助电源将其存储的能量释放出来，用以弥补燃料电池所产能量的不足。

在实际应用中，燃料电池和辅助电源系统需要几方面的硬件及软件的配合，才能形成一个完整的燃料电池混合电源系统。这些硬件和软件主要包括DC/DC模块、主辅电源能量管理系统，相关的支撑电路等。其中DC/DC模块的主要功能是对电压进行调理，以满足负载的需求，而主辅电源能量管理系统的主要功能是对主辅电源的电能进行监测、控制、分配、管理和安全保护等。

在混合电源中，以控制方式来区分，主要有二种控制方式：一种是主动式管理模式，一种是被动式管理模式。这两种控制方式的主要区别在于控制电路当中是否具有主动控制功率配合关系的环节。主动式管理方式由于采用了功率主动配合方式，因此能够主动的调节主辅电源的配合关系，但是这种方式的主要缺陷是主动控制电路本身需要消耗能量，造成了一部分能量的损失。而被动式管理，结构简单，实现容易，但是由于主体结构是将主辅电源直接并联，控制结构功能弱，因此功率的调节能力不足。还有一种为半被动系统，它采用小内阻的MOS管作为开关管控制主辅电源的连接方式，从而在一定程度上实现了能量的控制，改进了被动式控制的策略，减少了主辅电源间不必要的能量流动。

在控制电路中，DC/DC变换器是一个比较重要的硬件，它的功能是将一个直流电压值变换为负载所需的另一个直流电压值，以实现直流电压的升压或降压。在本系统中的主要作用有两个：一个是调理电压，从而实现燃料电池的稳压环节；另一个作用是调节功率，以实现根据负载要求主动调节电源输出功率的要求。

3 主动式能量管理系统的总体方案分析

本文的设计主要采用主动式的能量管理系统。之所以采用主动式的策略，是因为在管理系统中设置主动控制电路，可最大限度实现功率的主动分配及主辅电源的运行切换，从而实现根据实际情况调节燃料电池工作状态的目的。相比于被动式和半被动式能量管理策略而言，主动式具有调整灵活、控制准确的优点，同时又能够使工作点保持在最高效率或最大功率的工作区间中，有利于充分发挥燃料电池混合电源的优势。

根据设计的要求，本系统主要包含四大部分，分别为主电源、辅助电源、DC/DC变换器及相对应的控制电路。本系统的主电源采用燃料电池，辅助电源是锂电池，而DC/DC的主要功能是根据实际需要来决定主电源和辅助电源之间的能量流向和分配比例，从而实现供电线路的切换。图1为混合电源结构设计方案。如图所示：DC/DC模块位于锂电池的支路上，与锂电池串联之后，与燃料电池并联。而控制系统利用从系统中采集来的电路参数，判断电路中的主电源、辅助电源及负载的状态，来决定DC/DC的工作状态，从而调节锂电池组的输出电压，决定主辅电源并联工作点的电压。

图1 混合电池结构图

4 主动式能理管理系统的硬件软件系统介绍

本系统的硬件设计主要包括控制器的设计、电压电流参数采集模块设计、DC/DC模块设计，其结构图如图2所示。

图2 系统实际框图

如图2所示，系统中选用MSP430F149单片机作为控制器，采用MSP430F149内部集成的AD采集模块来完成电压电流信号的AD转换和采集的功能，但是由于数据采集来的信号是电流和电压的模拟信号，所以在电路中要加入数模转换电路。DC/DC模块根据实际需要提供几种转换方式。

图3 混合电源软件流程图

软件部分的设计采用C++来实现下位机软件设计。系统的控制流程如图3所示：系统初始化后，开启电流、电压的数据采集模块，收集锂电池的工作参数，使锂电池处于备供电状态，同时检测燃料电池的电压状态，然后依据电压的实际情况决定是否切换给锂电池供电支路，从而实现混合供电的要求。

5 结束语

本设计在充分研究燃料电池的基础上，确定了采用主动式管理方式来实现对燃料电池及其辅助电源系统的协调和控制功能。设计了以MSP430单片机、DC/DC模块及数字电位器等硬件设施所组成的控制电路。在设计的过程中，充分地考虑了主动控制电路的能耗问题，并且设计了相应的能量管理策略，实现了主辅电源工作过程中功率配合关系的主动控制。

本系统采用控制器产生PWM信号直接对DC/DC模块进行控制，同时利用DA转换提高反馈电压的调节精度，实现了对主辅电源的精确控制，提高了整个混合电源的电源品质。

[1]张文涛.微小型燃料电池混合电源能量管理策略研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2]吴成百.微小型燃料电池测试系统研究[D].大连：大连理工大学，2007.