氢/锂电池混合动力系统的设计与研究

迟英姿 经喆 韦森 姜良游 胡明敏

摘要：通过混合动力控制电路板将氢氧燃料电池和锂电池并联，并将氢氧燃料电池作为主电源进行供电，当氢氧燃料电池供电不足时切换至锂电池供电，从而达到延长载体续航时间的目的。

关键词：混合动力控制电路板;氢氧燃料电池;锂电池

中图分类号：U463.6                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0009-02

0  引言

氢产业链包含氢能源的生产、储存、运输和利用。氢能源可以广泛用于传统领域和氢动力新化合物，以及用于发电的氢能，如分布式热能、二级源等。从环保角度出发，由于能源需求量不断增加，整体的二氧化碳排放量急剧增加，所以低碳、环保、安全、可循环利用等系列能源研发和推广的方向是一往无前的。氢能和氢氧燃料电池污染性大大降低，符合国家的推广政策，随着人类大量使用石油、煤炭等不可再生能源，造成它们的储量逐步减少，导致能源紧缺，氢能源和氢氧燃料电池能量转化率较高、噪音低、可环保型，因此非常适合作为替代品广泛使用。

1  整体构造

1.1 研究目的  在锂电池稳定输出时通过集成控制电路控制氢氧燃料电池为锂电池提供电能补给，同时检测每块锂电池电芯的电压。

1.2 方案优化  氢氧燃料电池的能量密度较高，稳定输出时电压较高，需要通过降压模块将电压降低达到平衡充电的电压。当输出电压被降低时，会造成电能的损失，势必会使充电效能的损失，导致可续航时间不能达到预期。当两电池分别单独供电时，电能能得到最大的使用。通过混合动力控制电路板，使两块电池并联在输入端，当主电源电能不足时，自动切换至另一块电池进行供电，从而减小充电的电能损耗，提升电能的使用效能。

1.3 材料选择  单片机选用STC15W401AS单片机，STC系列单片机体积小，反应不仅快且稳定，宽电压，不怕电源抖动，宽温度范围——-40～+85℃，以保证在复杂环境下的使用。P信道增强模式场效应晶体管，对电路进行稳压，并保证两输出端不会以为电压降低而导致回流，损坏电池。LED灯、电阻、电容。

1.4 氢氧燃料电池  选用JRD-S100W氢氧燃料锂电池，额定功120W、额定电12V、直流电压范围10-17V额定电流10A。当氢气通入氢氧燃料电池后，氢氧燃料电池系统就开始运转，风扇开始转动，在氢氧燃料电池启动时候请不要加载任何负载。氢氧燃料电池启动后，可以根据需要在额定功率范围内逐步增加负载，但不能立即加到额定功率。氢氧燃料电池发生过流情况，控制报警器显示，电堆电压在10-17V都可以正常运行。关闭氢氢氧燃料电池，当准备关闭氢氧燃料电池时，请确认负载已经关闭，然后关闭氢气阀门，在关闭氢气阀门后风扇继续运转几分钟，直至电池中的氢气耗完。

1.5 混合动力控制电路板实物（图1）  通过STC15W401AS单片机、P信道增强模式场效应晶体管、电阻、电容、LED灯构成该控制板。通过晶体管对电路进行稳压，由单片机对整个电路的电压进行监控，当主电源电压低于设定值时，自动切换至备用电源，确保在切换的瞬间不间断供电;当主电源电压恢复至高于设定值一定值时，再自动切换回主电源供电。为保证能够稳定输出，故将备用电源切换至主电源电压略高于设定值。

可通过混合动力控制板上LED灯观察目前供电电源是主电源或备用电源。当红灯亮起时，由主电源进行供电;当切换至备用电路时，红点熄灭，绿灯亮起。

2  项目实验

2.1 实验准备  试验器材：JRD-S100W氢氧燃料电池、混合动力控制电路板、3S锂电池（850mA）、氢气（容量1L，气压9MPa）、减压阀、自制小车、导管。

将器材布置在自制小车上，试验分别为锂电池、氢氧燃料电池通过混合动力控制板单独供电及氢氧燃料电池为主电源的混合供电。因目的由氢氧燃料电池作为主电源供电，故电路板将混合动力控制电路板主电源接口设计成连接氢氧燃料电池，备用电源接口连接锂电池。

2.2 电路实验

2.2.1 锂电池与氢氧燃料电池并联  与下面第三个连接混合动力控制电路板做对照实验，采用锂电池与氢氧燃料电池并联的连接方式对负载进行供电。开始时只连接锂电池，锂电池正常输出。当接入氢氧燃料电池，锂电池电流迅速下降，最终电流显示负输出，处于充电状态。接入负载后，氢氧燃料电池输出加大，锂电池充电电流增大，但电压保持不变。（图2所示）当氢氧燃料电池电池功率输出高于锂电池时，会对锂电池进行不均衡充电，会损坏锂电池电芯。当氢氧燃料电池功率降低低于锂电池时，锂电池会对氢氧燃料电池进行供电，导致回流而损坏氢氧燃料电池。当氢氧燃料电池电池功率输出高于锂电池时，会对锂电池进行不均衡充电，会损坏锂电池电芯。当氢氧燃料电池功率降低低于锂电池时，锂电池会对氢氧燃料电池进行供电，导致回流而损坏氢氧燃料电池。

2.2.2 氢氧燃料电池电压、电流降低曲线  当氢氧燃料电池氢气供给不足时，电压、电流降低。（图3所示）当氢气停止供给，氢氧燃料电池反应停止，电流下降趋势较电压下降趋势平缓。

2.2.3 混合动力控制电路板  将氢氧燃料电池接入主电源端口，而锂电池作为备用电源进行连接。氢氧燃料电池从氢气流入氢氧燃料电池反应堆时开始产生电能，因为氢氧燃料电池的电压会逐步稳定，所以将始终稳定输出的锂电池作为备用电源端通过混合动力控制电路板进行稳定输出。当氢氧燃料电池的输出趋于稳定时，自动切换至主电源供电。（图4所示）混合动力控制电路板通过三极管保证在输出端两个供电端口不会出现回流现象从而损坏电池。当主电源供电电流开始降低时，备用电源开始电流补给;当电压低于设定值时，自动切换至备用电路，完全由备用电源进行供电。在切换时不会使负载产生短暂的停顿或出现设备重启的现象。

2.3 实验验证  ①不使用混合动力控制电路板的情况下，输入端的高功率端会对低功率端进行供电，锂电池会因为不均衡供电而损坏，氢氧燃料电池会因回流而损坏;接入混合动力控制电路板后，通过晶体管防止了电源回流的现场。②不使用混合动力控制电路板的情况下，输出的电流由高功率端进行输出，低功率端处于充电状态;接入混合动力控制电路板后，不供电的输入端，保持着稳定的电压输出，基本没有电流输入。

3  结语

本文主要通过控制电路板对氢氧燃料电池和锂电池的混合动力使用进行延长，旨在载体的整体续航时间。经过多次实验，通过改变减压阀的压力阀值，设置单路氢氧燃料电池输出、单路锂电池输出以及双路氢氧燃料电池—锂电池混合输出，得到以下结论：在该项目实验中，通过控制板能够使双电源进行无间断输出，小车整体运行时间得到延长，相较于单路3S电池与单路氢氧燃料电池输出，双电源方案使主电源能有效延长续航时间，并且当氢氧燃料电池氢气耗尽无法供电时，控制板会自动切换至锂电池进行输出负载，切换期间不会使小车控制器重启和小车动力停止，达到了实验的预期目标。但在由主电源进行负载输出时，随主电源使用时间越长，锂电池的使用时长会有微量的减少。

正常的电源切换时会有短暂的空档期，但我们可以通过这块混合动力控制电路板将这一空档期减小到一个极小值，不会对负载的运作产生影响。当主电源的输出电压低于设定值时，自动切换至备用电路，当主电源的输出电壓恢复至高于设定值的一定值时，再切换回主电源供电。高于设定值是为了保证主电源电压是否可以稳定的高于设定值输出，确保不会降低负载的功率。在氢气输入稳定的情况下，氢氧燃料电池可以有效的提升续航时间。

参考文献：

[1]李明.氢氧燃料电池智能控制系统的设计[D].兰州：兰州交通大学，2014.

[2]丁树凯.以无人机为载体的氢电混合动力供电系统的研究[D].南京：南京工业大学浦江学院，2020.

[3]吕兵，等.氢电混合动力小车的设计研究.[J].现代盐化工，2020（5）：68-70.