一種基於燃料電池的備用電源系統的製作方法

2023-05-11 00:18:56

專利名稱：一種基於燃料電池的備用電源系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於燃料電池的備用電源系統。
背景技術：
隨著社會的進步和人民生活水平的提高，電力供應已經變成生產和生活中不可或 缺的重要因素，特別是在一些政府職能機構和通信樞紐中顯得尤為突出。由於人為的或自 然的一些不可控因素有可能使某些時段，某片區域出現電力供給喪失，因此備用電源是必 不可少的。目前國內的通信基站主要是以鉛酸蓄電池作為後備電源，其初期投資比較低，但 缺點十分突出蓄電池的維護及管理成本較高；使用壽命短；容量的制約使其連續工作時 間非常有限，不能提供長時間、穩定的電能輸出；容易造成環境汙染。燃料電池技術是公認 的能夠取代蓄電池作為通信行業備用電源的最有前景的技術。其能源清潔，能量轉換效率 高，且對燃料電池發電的控制技術也已經比較成熟。但目前國內尚未有將燃料電池應用於 通信系統等領域備用電源的成熟案例，大多還處於研發試驗階段，系統輸出功率也較小。200910061032. 1中提出了一種通信用燃料電池備用電源系統，但其並未對其具體 實施案例作出較詳盡的闡述，其應用對象的特性及系統的測試狀況也並未描述；其斷電判 斷通過直接對市電的檢測而獲取，故針對不同的用電設備需要在系統外部增加不同的掉電 檢測電路，易用性及通用性有一定的不足；其數據通信都在單一的CAN通信網絡中傳輸，當 數據量較大時，系統實時性難以得到保證，且不利於多系統的擴展。

實用新型內容為了解決現有技術存在的上述問題，本實用新型提出一種基於燃料電池的備用電 源系統，該系統以氫氣作為主要的能源，清潔高效；系統能夠在市電掉電的情況下為外部負 載提供長時間穩定、大功率的直流供電；系統通過對內部母線狀態及輔助供電裝置工作狀 態的監測來實現對外部市電狀態的判斷，易用性及通用性強，具有即插即用的特徵；系統採 用了多路CAN通信網絡，並結合RS485，對系統不同層次的控制監測單元採用不同的數據傳 輸通道，有利於提高系統的數據處理能力及系統的擴展。本實用新型可通過以下技術方案予以解決一種基於燃料電池的備用電源系統，其包括一燃料電池系統，其包括分別與一燃 料電池堆相連的氫氣供應系統、空氣供應系統、水循環系統，所述燃料電池堆設一電能輸出 端；一 DC/DC變換器，其與所述電能輸出端相連；一輔助供電裝置，其與所述DC/DC變換器 並聯後與用電設備連接；一控制系統，包括設有人機接口的系統控制單元，二者之間通過 RS485實現通信，該系統控制單元分別與一蓄電池管理系統、一氫氣管理系統和一燃料電 池控制單元相連結，各單元之間通過CANA網絡實現通信，該燃料電池控制單元分別與所述 DC/DC變換器和一單體監控單元相連結，各單元之間通過CANAS網絡實現通信。燃料電池系 統輸出端連接有電壓傳感器、電流傳感器，以實現對燃料電池系統的狀態監測，並連接保險 絲和二極體作為保護裝置；輔助供電裝置和DC/DC變換器並聯輸出端接有電壓傳感器，以實現對系統輸出電壓的實時監測；輔助供電裝置輸出端接有電流傳感器，實時診斷其工作 狀態，並配合母線電壓狀態變化來獲取外部市電的供電狀態，實現了外部電源狀態的內部 判斷。本實用新型所述氫氣供應系統包括一氫氣瓶，其輸出管依次通過壓力傳感器、溫 度傳感器及控制閥與所述燃料電池堆相連；所述空氣供應系統包括一風機，其通過一增溼 器與所述燃料電池堆相連，所述風機還連接一風機控制器；所述系統控制單元與所述蓄電 池管理系統、氫氣管理系統和燃料電池控制單元間通過CANA進行通信，所述燃料控制單元 與直流變換器及單體監控單元間通過CANAS進行通信。所述燃料電池系統的電能輸出端和DC/DC/變換器之間並聯一電壓傳感器。所述燃料電池的電能輸出端和DC/DC/變換器之間串聯一電流傳感器。所述燃料電池的電能輸出端和DC/DC變換器之間串聯有保險絲和二極體。所述輔助供電裝置輸出端和用電設備之間連接一電流傳感器。通過以上所述的技術方案，本實用新型一種基於燃料電池的備用電源系統，可利 用氫氣作為主要燃料，輸出44V-54V間穩定的直流電壓，能夠在較長時間內提供單模塊淨 輸出功率達5kW的電能供應，並可以根據實際需求進行擴展，以滿足較大功率用電設備的 特定要求，滿足目前通信基站等用設備對備用電源的基本要求；該備用電源系統完全獨立， 外部電源狀態判斷也在系統內部實現，對外只提供供電接口，具有即插即用的特徵。

圖1是本實用新型一種基於燃料電池的備用電源系統的原理圖及外部設備的接 Π1，燃料電池系統；2，DC/DC變換器；3，輔助供電裝置；4，電源；5，用電設備圖2是本實用新型的燃料電池系統的內部結構101，燃料電池堆；102，氫氣瓶；103，電磁閥；104，比例閥；105，比例控制閥；106， 排氫電磁閥；108，氫氣出口 ；109，增溼器；110，風機；111，風機控制器；112，散熱器；113， 水箱；114，水泵；115，空氣出口 ；116，電能輸出端圖3是本實用新型的控制系統的拓撲結構601，系統控制單元SCU ；602，人機接口 HMI ；603，蓄電池管理系統BMS ；604，氫氣 管理系統HMS ；605，燃料電池控制單元rcU ；606，單體監控單元CVM，607，可擴展的燃料電池 控制單元
具體實施方式
下面結合具體實施方式
，進一步闡述本實用新型一種基於燃料電池的備用電源系統，其包括燃料電池系統1，其包括氫氣供應系 統，空氣供應系統，水循環系統，該些系統分別與燃料電池堆相連，燃料電池堆設電能輸出 端；一 DC/DC變換器2，其與電能輸出端連接；一輔助供電裝置3，與DC/DC變換器一併與用 電設備5連接；還包括一控制系統，其分為三層，第一層為一系統控制單元，其設有一人機 接口，第二層包括一蓄電池管理系統、一氫氣管理系統和一燃料電池控制系統，第一層通過 RS485實現通信，第二層的該些系統分別與系統控制單元通過CANA進行通信連結，第三層包括DC/DC和一單體監控單元，DC/DC和單體監控單元分別通過CANAS通信網絡與燃料電 池控制單元連結。如圖1所示，一種基於燃料電池的備用電源系統主要由燃料電池系統1，DC/DC變 換器2，輔助供電裝置3 (蓄電池組)及其控制系統構成，並在燃料電池系統1輸出端連接 有電壓傳感器、電流傳感器，以實現對燃料電池系統的狀態監測，並連接保險絲和二極體 作為保護裝置；輔助供電裝置3和DC/DC變換器2並聯輸出端接有電壓傳感器，以實現對系 統輸出電壓的實時監測；輔助供電裝置3輸出端接有電流傳感器，實時診斷其工作狀態，並 配合母線電壓狀態變化來獲取外部市電的供電狀態，實現了外部電源狀態的內部判斷，DC/ DC變換器2的輸出端連接有保險絲和二極體。當外部電源4正常運行時，由市電經轉換後 直接供用電設備使用；當外部電源4停止工作時，由燃料電池備用電源系統1作為主要的 電能供應源，其輸出的電能經DC/DC變換器2後，轉換為適合於外部用電設備的穩定直流電 壓；當外部市電恢復正常後，燃料電池備用電源系統1停止運行，由外部電源4為用電設備 供電。輔助供電裝置3(蓄電池組)作為系統狀態轉換過程中的能量緩衝裝置，保證了對用 電設備持續穩定的不間斷供電。如圖2所示，本實用新型的燃料電池系統的內部結構，該燃料電池系統由分別與 燃料電池堆101相連的氫氣供應系統、空氣供應系統、水循環系統構成，其中氫氣供應系統 包括氫氣瓶102，依次連接壓力傳感器，溫度傳感器，以及電磁閥103，比例閥104，比例控制 閥105，最終接入燃料電池堆101，並設有氫氣出口 108，在進口管道和出口管道之間設有排 氫電磁閥106。空氣供應系統為一風機控制器111控制連接一風機110，並通過一增溼器109 與燃料電池堆101相連，為其提供空氣；水循環系統為一水泵114與水箱113連接，通過一 散熱器112接與燃料電池堆102，該燃料電池堆101設有空氣出口 115及電能輸出端116。 當燃料電池系統處於運行狀態時，氫氣瓶103中的高壓氫氣經多級閥門降壓後進入燃料電 池堆101，與經風機110進入燃料電池堆101的空氣發生電化學反應產生電能。水泵114 維持冷卻水循環系統的正常運轉，並通過散熱器112保持進入燃料電池堆101的冷卻水溫 度不會過高；發生電化學反應後剩餘的氫氣和空氣分別從氫氣出口 108和空氣出口 115排 出，電能輸出端116輸出至DC/DC轉換器2後為外部用電設備5供電。系統中還有溫度傳 感器，壓力傳感器等部件來實時監測系統狀態。如圖3所示，為本實用新型控制系統的拓撲結構，其分為三層，第一層為一系統控 制單元S⑶601，並與一人機接口 HMI602相連，第二層包括一蓄電池管理系統BMS603、一氫 氣管理系統HMS604和一燃料電池控制系統TOU605，第二層的該些系統分別與系統控制單 元601通過CANA通信連結，第三層包括DC/DC變換器2和一單體監控單元CVM606，DC/DC 變換器2和單體監控單元CVM606分別通過CANAS通信網絡與燃料電池控制單元FCU605鏈 接。該控制系統還包括可以擴展的燃料電池控制單元607。本系統選用的燃料電池堆101單模塊淨輸出功率為7. 5kff-8. 5kff,作為燃料電池 系統中的主要發電裝置，為用電設備4及燃料電池系統內部的輔助裝置3供電。選用的DC/ DC變換器2的額定功率為8. 5kW，其支持的電壓輸入範圍為55-120VDC，輸出電壓範圍為 40-54VDC。輔助供電裝置3由單節容量為80Ah，標稱電壓為12V的4節VALTA蓄電池組成； 電源4為經市電轉換為穩定的直流電壓輸出為負載供電；負載採用燃料電池測試用電子負 載模擬外部用電設備5，並將其功率設置為5kW。
5[0025] 但是，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領域技術人員能夠 理解本專利，不能理解為是對本專利包括範圍的限制；只要是根據本專利所揭示精神的所 作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的範圍。
權利要求1.一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於包括一燃料電池系統，其包括分別與一燃料電池堆相連的氫氣供應系統、空氣供應系統、水 循環系統，所述燃料電池堆設一電能輸出端；一 DC/DC變換器，其與所述電能輸出端相連；一輔助供電裝置，其與所述DC/DC變換器並聯後與用電設備連接；一控制系統，包括設有人機接口的系統控制單元，該系統控制單元分別與一蓄電池管 理系統、一氫氣管理系統和一燃料電池控制單元相連結，該燃料電池控制單元分別與所述 DC/DC變換器和一單體監控單元相連結。
2.根據權利要求1所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述燃料 電池系統的電能輸出端和DC/DC變換器之間並聯一電壓傳感器。
3.根據權利要求2所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述燃料 電池的電能輸出端和DC/DC/變換器之間串聯一電流傳感器。
4.根據權利要求3所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述燃料 電池的電能輸出端和DC/DC變換器之間串聯有保險絲和二極體。
5.根據權利要求1或4所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述 輔助供電裝置和DC/DC變換器並聯輸出端接有電壓傳感器。
6.根據權利要求5所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述輔助 供電裝置輸出端和用電設備之間連接一電流傳感器。
7.根據權利要求6所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述DC/DC 變換器的輸出端和用電設備之間連接有保險絲和二極體。
8.根據權利要求1所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述氫氣 供應系統包括一氫氣瓶，其輸出管依次通過壓力傳感器、溫度傳感器及控制閥與所述燃料 電池堆相連。
9.根據權利要求1所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述空氣 供應系統包括一風機，其通過一增溼器與所述燃料電池堆相連，所述風機還連接一風機控 制器。
10.根據權利要求1所述的一種基於燃料電池的備用電源系統，其特徵在於所述系 統控制單元與人機接口之間通過RS485進行通信，所述系統控制單元與所述蓄電池管理系 統、氫氣管理系統和燃料電池控制單元間通過CANA進行通信，所述燃料控制單元與直流變 換器及單體監控單元間通過CANAS進行通信。
專利摘要本實用新型公開一種基於燃料電池的備用電源系統，包括一燃料電池系統，其包括分別與一燃料電池堆相連的氫氣供應系統、空氣供應系統、水循環系統，該燃料電池堆設一電能輸出端；一DC/DC變換器，其與電能輸出端相連； 一輔助供電裝置，其與DC/DC變換器並聯後與用電設備連接；一控制系統，包括設有人機接口的系統控制單元，該系統控制單元分別與一蓄電池管理系統、一氫氣管理系統和一燃料電池控制單元相連結，該燃料電池控制單元分別與DC/DC變換器和一單體監控單元相連結。本實用新型一種基於燃料電池的備用電源系統克服蓄電池的不足，能方便地為設備供電。
文檔編號H02J7/00GK201821261SQ201020128350
公開日2011年5月4日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者婁潔良, 李峰, 章波, 蔡武久, 馬天才 申請人:崑山弗爾賽能源有限公司