基於燃料電池的通信電源的製作方法

2023-09-20 13:18:50 2

專利名稱：基於燃料電池的通信電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及供電電源，尤其是基於氫燃料電池的通信用電源系統製造領域。
背景技術：
近年來，隨著全球能源短缺與環保問題的日益突出，新能源的應用研究開發已受到世界各國的大力關注，因此研發清潔、環保的新型能源具有重要意義。燃料電池由於高效、潔淨、便捷的優點，近年來得到了世界各國的高度重視和大力資助，基於氫能的燃料電池技術也得到了快速的發展，已有大量的基礎研究和應用技術的研發，並在眾多領域得到成功應用，為燃料電池的應用開發奠定了良好基礎。隨著社會進步、人民生活水平的普遍提高和通信技術的快速發展，通信電源得到了廣泛的應用。傳統的通信用電源系統一般包含市電電源轉換系統和備用電源系統兩大部分，其中市電電源轉換系統主要通過對市電進行相關的轉換後輸出適合通信設備使用的直流電源，備用電源系統在市電停電或故障時提供通信設備運行的備用電源，保障通信設備短時間內的正常運行。傳統的通信用電源系統中備用電源系統一般採用鉛酸蓄電池組，鉛酸蓄電池優點是比較安全且採購成本較低，其缺點是體積大、笨重、使用壽命短、不可進行二次回收在利用、廢棄後造成一次和二次環境汙染、備電時間有限且有不確定性、對環境溫度要求苛刻，其使用和推廣受到很大的限制。另外傳統的通信用電源系統中市電電源轉換系統和備用電源系統是兩個獨立的供電系統，兩個系統間無直接通信接口和管理單元，需要在兩者之間添加監控設備，協調兩者的工作，不便於管理和維護，增加系統的維護成本和難度。鑑於傳統通信用電源系統的種種缺點，加之能源危機和人們環保意識的提高，尋求新的通信用電源系統呼聲越來越高。由於燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，清潔、無汙染、噪聲低，比功率高，逐漸被公認為能夠取代蓄電池作為通信電源系統中的備用電源，因此研發基於燃料電池的通信電源系統有著廣闊的應用市場。中國專利200910061032.1中提出了一種通信用燃料電池備用電源系統，其斷電判斷是通過對外部市電的檢測而獲取，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裝置，易用性及通用性有一定的不足；當外部市電出現短暫停電或頻繁的起停時，系統也會隨之進行相應的動作。中國專利201110081524. 4中公開了一種基於燃料電池的不間斷電源供電系統，該方案僅作為UPS電源系統，未考慮負載突變時如何調整其供電，未對輔助供電裝置進行管理，在輔助供電裝置無電或故障時，不間斷電源供電系統將無法工作。中國專利200820157255. 9公開了一種通訊用備用電源系統，該備用電源系統由燃料電池與儲能電池通過單向二極體連接後為通訊負載提供備用電源，在該系統中由於燃料電池輸出的電壓不穩定，具有軟電壓特性，不能為負載提供穩定的電源，只能作為輔助電源，而儲能電池才是主電源，沒有實現燃料電池作為備用電源的初衷。中國專利200910187938. 8公開了一種燃料電池備用電源，系統主要描述了燃料電池部分的工作原理及系統構成，未詳細描述備用電源系統中能量流動的管理，不具備自動判斷市電供電情況，也不具備自動切換供電模式。其他一些已公開的專利技術方案，都是將燃料電池作為電源系統的備用電源代替原有的蓄電池，沒有從電源系統整體來考慮，需要在備用電源系統和電源系統之間針對不同的用電設備添加相應的檢測控制裝置，增加了系統的複雜度，也降低了電源系統的穩定性及可靠性。

實用新型內容鑑於以上現有技術的以上不足，本實用新型的目的是研究一種基於燃料電池的通信電源系統，以氫氣為燃料，長時間為通信設備提供穩定、大功率的直流供電；系統通過內部狀態監測和自動控制，實現不間斷供電切換，在切換過程中由蓄電池組為負載提供短時間的電源供電，並為燃料電池系統啟動和控制單元提供輔助電源。本實用新型是通過如下的手段實現的一種基於燃料電池的通信電源，包括市電供電迴路100、燃料電池供電迴路200、蓄電池供電迴路300、系統控制單元400、弱電供電單元500和人機接口；其中市電供電迴路100、燃料電池供電迴路200、蓄電池供電迴路300的輸出端並聯於系統直流母線，為負載提供電力；系統控制單元400為整個系統的智能控制單元，控制系統的全自動運行；弱電供電單元500為整個電源系統提供弱電；人機接口為系統提供顯示、外接通信接口等人機互動功能；系統控制單元400通過CAN總線與AC/DC控制單元130、蓄電池充電管理單元320、燃料電池控制器220及人機接口連接，進行控制命令、參數的傳輸；系統控制單元400還通過控制信號線分別與DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240、電子開關DK連接；弱電供電單元500 —端與系統直流母線連接，另一端分別與DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240及系統控制單元400連接，分別提供土 15V，+5V，+3. 3V弱電。上述幾部分構成本系統的整體結構框架。通過以上的技術方案，本實用新型一種基於燃料電池的通信電源系統，可以利用氫氣作為主要燃料，配合市電供電迴路、蓄電池供電迴路，構成一個完整的通信電源系統，輸出滿足通信標準規定的額定電壓為DC48V、電壓範圍為DC43. 2V DC57. 6V的直流電源。該電源系統清潔、高效、可靠，適合各種通信設備使用，能夠長時間、穩定的為通信設備提供電力，保證通信設備穩定持續供電。本實用新型與現有技術相比具有以下優點1.本實用新型利用AC/DC控制單元自動監測市電供電情況，通過內部控制實現市電實際停電和市電短暫停電或頻繁起停的判斷，不需要增加外部監測裝置，易用性及通用性好，不會頻繁來回切換系統供電迴路。2.本實用新型具有蓄電池供電迴路，能夠不需外部供電啟動運行，同時蓄電池迴路能夠進行功率補償。在負載突變時由於燃料電池輸出響應較慢，不能及時響應負載突變，將會導致直流總線電壓下降而影響設備的正常工作，此時蓄電池供電迴路能夠支撐由於負載突然增加而導致的功率缺額，保護燃料電池系統穩定運行。3.本實用新型具有高效率的DC/DC單元1，能夠將燃料電池輸出的不穩定直流變換成穩定的負載需求直流，使得在燃料電池供電迴路中燃料電池供電成為主供電，而蓄電池組為輔助供電和功率補償，有利於保護蓄電池組，延長蓄電池的使用壽命。4.本實用新型具有蓄電池充電管理單元，能夠實時監測蓄電池的狀態，預測蓄電池的SOC值，以維持蓄電池組SOC動態平衡於一定的小範圍內，縮小蓄電池特性離散度，延長蓄電池的使用壽命。5.本實用新型具有系統控制單元，能夠實現自動監測、供電迴路自動切換、蓄電池自動充電管理，並提供人機接口。6.本實用新型作為一個整體電源系統，不是一個備用電源系統，綜合考慮了整體系統的協調控制，降低了系統的複雜度和維護難度，提高了電源系統的穩定性及可靠性。

圖1為基於燃料電池的通信電源系統結構框圖。圖2為電源系統工作流程。圖3為燃料電池供電迴路的效率曲線。圖4為市電供電迴路的效率曲線。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的結構作進一步的詳述。系統結構框圖如圖1所示，該電源系統包括市電供電迴路100、燃料電池供電迴路200、蓄電池供電迴路300、系統控制單元400、弱電供電單元500和人機接口。其中市電供電迴路100、燃料電池供電迴路200、蓄電池供電迴路300的輸出端並聯於系統直流母線，為負載提供電力；系統控制單元400為整個系統的智能控制單元，控制系統的全自動運行；弱電供電單元500為整個電源系統提供弱電。人機接口為系統提供顯示、外接通信接口等人機互動功能。市電供電迴路100包括依次相連接的電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、有源功率因數校正APFC單元110、隔離0(/1)(變換單元120及AC/DC控制單元130。市電AC220V通過開關K2與市電供電迴路100的輸入端連接，然後依次並聯一電壓檢測傳感器、串聯一電流檢測傳感器後與有源功率因數校正APFC單元110的一個輸入端連接，有源功率因數校正APFC單元110的輸出端與隔離DC/DC變換單元120的輸入端連接，隔離DC/DC變換單元120的輸出端與系統直流母線連接；AC/DC控制單元130通過控制信號線分別與有源功率因數校正APFC單元110、隔離DC/DC變換單元120連接，實現對有源功率因數校正APFC單元110、隔離DC/DC變換單元120的控制，並通過CAN總線與系統控制單元400連接，進行控制命令/參數的傳輸。蓄電池供電迴路300包括依次相連接的蓄電池充電管理單元320、蓄電池組310、電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、電子開關DK、浪湧保護電阻R及大功率二極體。蓄電池組310的一個輸出端並聯一電壓檢測傳感器、串聯一電流檢測傳感器後與電子開關DK的一端連接，電子開關DK的另一端與大功率二極體的一端連接，大功率二極體的另一端與系統直流母線連接。浪湧保護電阻R的一端與電子開關DK的輸入端連接，浪湧保護電阻R的另一端與開關Kl連接，開關Kl的另一端與電子開關DK的輸出端連接，電子開關DK的控制端與系統控制單元400連接，實現湧保護電阻R的自動切除控制；蓄電池充電管理單元320 —端與系統直流總線連接，另一端與蓄電池組310連接，實現對蓄電池組310的充電管理。燃料電池供電迴路200包括依次相連接的燃料電池控制器220、燃料電池發電系統210、DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240。其中燃料電池發電系統210的輸出端依次並聯一電壓檢測傳感器、串聯一電流檢測傳感器、串聯一保險絲Fl、串聯一大功率二極體後與DC/DC變換單元230的輸入端連接，DC/DC變換單元230的輸出端與系統直流母線連接；DC/DC變換單元240的輸入端與系統直流母線連接，DC/DC變換單元240的輸出端依次並聯一電壓檢測傳感器、串聯一電流檢測傳感器、串聯一保險絲F2後與燃料電池控制器220連接，為燃料電池控制器220及燃料電池發電系統210提供輔助電源；燃料電池控制器220通過控制線與燃料電池發電系統210連接，實現燃料電池發電控制；燃料電池控制器220通過CAN總線與系統控制單元400連接，進行控制命令/參數的傳輸；弱電供電單元500 —端與系統直流母線連接，另一端分別與DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240及系統控制單元400連接，分別為他們提供±15V，+5V，+3. 3V弱電。系統控制單元400通過CAN總線與AC/DC控制單元130、蓄電池充電管理單元320、燃料電池控制器220及人機接口連接，進行控制命令、參數的傳輸；系統控制單元400還通過控制信號線分別與DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240、電子開關DK連接，直接控制他們的運行。系統直流母線輸出依次串聯一保險管F3、並聯一電壓檢測傳感器、串聯一電流檢測傳感器後與開關K3的一端連接，開關K3的另一端直接與通信負載連接。電源系統的啟動流程如圖2所示。系統安裝調試完成後，首先閉合開關K1，由蓄電池組310給電源系統提供啟動輔助電源；閉合開關Kl後，連接在系統直流母線上的弱電供電單元500開始啟動，輸出系統需要的±15V，+5V，+3. 3V等弱電；在弱電±15V，+5V，+3. 3V供電正常後，系統控制單元400啟動，系統控制單元400首先初始化整個系統的各個控制器，檢測系統各單元的狀態參數；啟動DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240工作；DC/DC變換單元240啟動後，給燃料電池控制器220提供輔助電源，啟動燃料電池系統；隨後閉合開關K2，將市電AC220V接入電源系統的市電供電迴路100，系統控制單元400便進入全自動工作模式。最後閉合開關K3連接通信設備負載，對外輸出電力。系統控制單元400不斷檢測市電供電情況，當檢測到市電供電正常時，系統控制單元400啟動市電供電迴路100對負載供電，停止燃料電池供電迴路200工作，同時在蓄電池充電管理單元320控制下對蓄電池組310進行充電；當檢測到市電供電停電或故障時，系統控制單元400啟動蓄電池供電迴路300對負載臨時供電，切斷市電供電迴路100，啟動燃料電池發電系統210開始發電，待燃料電池發電系統210發出穩定電源後切換到燃料電池供電迴路200供電，蓄電池供電迴路300作為補償供電迴路；當系統控制單元400當檢測到市電供迴路100、燃料電池供電迴路200均故障時，由蓄電池組310對負載供電，並產生報警信息上傳給人機接口，在蓄電池組310電壓低於保護閾值時，自動切斷負載。
權利要求1.一種基於燃料電池的通信電源，包括市電供電迴路(100)、燃料電池供電迴路(200)、蓄電池供電迴路(300)、系統控制單元(400)、弱電供電單元(500)和人機接口 ；其中市電供電迴路、燃料電池供電迴路、蓄電池供電迴路的輸出端並聯於直流母線，為負載提供電力；系統控制單元為整個電源的智能控制單元，控制系統的全自動運行；弱電供電單元為整個電源系統提供弱電；人機接口為系統提供顯示、外接通信接口人機互動功能；系統控制單元(400)通過CAN總線與AC/DC控制單元(130)、蓄電池充電管理單元(320)、燃料電池控制器(220)及人機接口連接，進行控制命令、參數的傳輸；系統控制單元(400)還通過控制信號線分別與DC/DC變換單元(230)、DC/DC變換單元(240)、電子開關DK連接；弱電供電單元(500) —端與系統直流母線連接，另一端分別與DC/DC變換單元(230)、DC/DC變換單元(240)及系統控制單元(400)連接，分別提供±15V，+5V，+3. 3V弱電。
2.根據權利要求1所述之基於燃料電池的通信電源，其特徵在於，所述燃料電池供電迴路(200)包括依次相連接的燃料電池控制器(220)、燃料電池發電系統(210)、DC/DC變換單元(230)、DC/DC變換單元(240)。
3.根據權利要求1所述之基於燃料電池的通信電源，其特徵在於，所述蓄電池供電迴路(300)包括依次相連接的蓄電池充電管理單元(320)、蓄電池組(310)、電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、電子開關DK、浪湧保護電阻R及大功率二極體。
4.根據權利要求1所述之基於燃料電池的通信電源，其特徵在於，所述市電供電迴路(100)包括依次相連接的電壓檢測傳感器、電流檢測傳感器、有源功率因數校正APFC單元(110)、隔離0(/1)(變換單元(120)及AC/DC控制單元(130)。
專利摘要本實用新型公開了一種基於燃料電池的通信電源，包括市電供電迴路、燃料電池供電迴路、蓄電池供電迴路、系統控制單元、弱電供電單元和人機接口。在市電供電正常時，系統控制單元啟動市電供電迴路對負載供電，停止燃料電池供電迴路工作，同時蓄電池組充電；在市電停電時，系統控制單元啟動蓄電池供電迴路對負載供電，切斷市電供電迴路，啟動燃料電池發電系統並切換到燃料電池供電迴路為負載供電。本實用新型實現了市電供電迴路、燃料電池供電迴路無縫切換，保證了負載在切換過程中連續供電，並對負載突變提供功率補償。該電源系統清潔、高效、可靠，適合各種通信設備使用，能夠長時間、穩定的為通信設備提供電力。
文檔編號H02J7/34GK202872443SQ20122043483
公開日2013年4月10日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者遊志宇, 陳維榮, 陶詩湧, 戴朝華, 李奇, 郭育華, 盧國濤, 高建龍, 劉志祥, 李豔昆 申請人:西南交通大學