我國幅員遼闊,，各種自然災(zāi)害頻發(fā),，在搶險(xiǎn)救災(zāi)和突發(fā)事件處置中常用的應(yīng)急供電設(shè)備汽油發(fā)電機(jī)比較笨重、噪音大且釋放有害氣體,，鋰電池,、鎳氫電池、鉛酸電池等連續(xù)供電時(shí)間短且在應(yīng)急場合無法提供充電恢復(fù),。本文提出一種利用PEM燃料電池,、鋰電池聯(lián)供的應(yīng)急供電系統(tǒng)，儲(chǔ)氫容器更換時(shí)期間也可以保證連續(xù)供電,，控制系統(tǒng)采用模糊算法,，根據(jù)鋰電池SOC、燃料電池最佳工作狀態(tài)以及負(fù)載情況,，進(jìn)行能量動(dòng)態(tài)分配與管理,。研制了在應(yīng)急場合使用的樣機(jī)，該系統(tǒng)連續(xù)供電時(shí)間長（是目前常用設(shè)備的2～3倍）,，無噪音,、零排放，可取得良好的效果,，是搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)付突發(fā)事件的理想應(yīng)急供電裝備,。

1 系統(tǒng)組成
    燃料電池應(yīng)急供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

    系統(tǒng)由120 W質(zhì)子膜燃料電池,、燃料電池控制器,、鋰電池及管理系統(tǒng),、能量管單元組成。鋰電池的指標(biāo)為13.2 V/10 Ah,，以保證燃料電池故障狀態(tài)下或燃料耗盡更換不及情況下應(yīng)急滿功率支持1 h的戰(zhàn)術(shù)要求,。燃料電池電堆指標(biāo)：功率為120 W，輸出電壓為15 V～28 V,。燃料電池控制器主要完成對(duì)電堆溫度,、輸入氫氣和空氣壓力、流量,、以及電堆異常情況進(jìn)行控制和監(jiān)測,，并通過CAN總線將信息傳輸至系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器主要完成對(duì)負(fù)載大小,、鋰電池SOC以及燃料電池電堆工況實(shí)時(shí)檢測并根據(jù)模糊算法動(dòng)態(tài)進(jìn)行能量管理,，使應(yīng)急供電系統(tǒng)個(gè)部件工作在最佳狀態(tài)，以提高整機(jī)效率和關(guān)鍵部件使用壽命,。
2 電路設(shè)計(jì)
2.1 充電與電池管理電路
    鋰電池充電電路如圖2所示,。直流電壓經(jīng)過隔離二極管D5加到MAX1873的15腳。Ql為充電驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出開關(guān)管,。R4為充電電流檢測電阻,，用于檢測輸出電流的大小。R2為系統(tǒng)電流的檢測電阻,。R5,、R6為輸出充電電壓調(diào)整電阻。

    燃料電池輸出的15 V～28 V電壓經(jīng)過隔離二極管D5和總電流檢測電路,，一路經(jīng)過R2,、DC/DC電路至輸出端，另一路通過Q1,、電感L1,、D6和R4向鋰電池充電。R4上的電壓與充電電流成正比,，經(jīng)電壓誤差放大器放大,，轉(zhuǎn)換成直流分量輸人微處理器，微處理器將從MAX1873的14腳輸出反向控制電壓,，使Ql的導(dǎo)通電流減小,。如果流經(jīng)R4上的電流過小，由MAX1873的14腳輸出控制電壓使Ql的電流相應(yīng)增加,，則會(huì)使電池組有一個(gè)恒定的電流值,。當(dāng)電流很小且達(dá)到充電電流最小值或0時(shí)，MAX1873從14腳輸出低電平的脈沖控制信號(hào),，關(guān)斷BGl,，停止對(duì)電池充電,。當(dāng)控制輸入端為低電平時(shí)，BG2導(dǎo)通,，充電控制腳6腳（ICHG/EN）為低電平,，14腳輸出低電平，BG1關(guān)斷,，停止充電,，此時(shí)充電電流僅為1 μA，處于關(guān)閉狀態(tài)（充電被禁止）,。
2.2 直流變換與控制電路
    DC/DC變換電路采用XL4012集成變換器,，輸入電壓3.6 V~36 V，2 800 kHz的開關(guān)頻率,，輸出電壓可以從0.8 V~28 V可調(diào)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%,，最大輸出電流12 A,，外圍電路簡單。
    應(yīng)急供電系統(tǒng)需要檢測的參數(shù)比較多：燃料電池的輸出電壓,、輸出電流,；充電與BMS的充電電流、電池電壓和電池SOC,；輸出端的輸出電流,、輸出電壓。因此需要擴(kuò)展A/D接口,，系統(tǒng)控制采用89S51CPU,，A/D采用TLV2543芯片，該芯片有10路模擬電壓輸入,，與單片機(jī)采用串行接口,，占用口線資源較少，轉(zhuǎn)換速度比較快,，顯示采用LCD1602液晶顯示,，不采用背光時(shí)液晶動(dòng)態(tài)電流不大于5 mA，主要顯示燃料電池工作狀態(tài),，鋰電池SOC及充放電情況,，輸出電壓、輸出電流信息,，整機(jī)效率等供電信息,。
3 模糊控制算法
    讓燃料電池處于最佳狀態(tài)，同時(shí)讓鋰電池荷電狀態(tài)在SOCmin以上,。 以分配給燃料電池的功率份額為約束條件,，調(diào)節(jié)鋰電池的輸出功率,。對(duì)鋰電池而言, 當(dāng)蓄電池SOC最小極限值(SOCmin)小于或等于30%時(shí)，鋰電池必須充電,；當(dāng)SOC在50%～70%時(shí),，視負(fù)載需求功率情況，可以充電也可以放電,；當(dāng)SOC大于90%時(shí)不充電,。以負(fù)載功率Pg和鋰電池荷電狀態(tài)SOC為模糊控制的輸入變量，以燃料電池分配輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pb為模糊控制器的輸出變量,。模糊輸入變量Pg和SOC基本論域?yàn)閇0,，100] W和[30，90]%,，將輸入變量模糊化,，模糊子集為{ZO（零）， PS（正?。?，PM（正中），PB(正大)},；模糊輸出變量Pb的論域?yàn)閇-100,，110] kW，模糊子集也為{NB（負(fù)大）,，NM（負(fù)中）,，NS（負(fù)小）,，ZO（零）,，PS（正小）,，PM（正中）,，PB（正大）}，模糊輸出變量Pfc的論域?yàn)閇0,，110] kW,，模糊子集也為{ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）},。
      模糊控制器以負(fù)載功率Pg和鋰電池的荷電狀選擇輸入,、輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)為三角形如圖3、圖4,、圖5和圖6所示,。

5 系統(tǒng)仿真
    在Matlab仿真系統(tǒng)中建立模糊控制器,，取模糊控制的輸入變量目標(biāo)功率Pg和鋰電池的荷電狀態(tài)SOC的論域?yàn)閇-100，110] W和[30,，90]%,，取模糊控制器的輸出變量燃料電池分配輸出功率Pfc、鋰電池分配輸出功率Pb的論域分別為[0,，110] kW,、[-100，110] W,。鋰電池為10 Ah/13.2 V,，電池初始荷電狀態(tài)SOC=60%。同時(shí)在 Matlab/Simulink取時(shí)間為0～15 min,，其仿真波形如圖8所示,。

6 樣機(jī)測試與評(píng)估
    根據(jù)電池SOC和負(fù)載大小利用模糊算法將PEM燃料電池和鋰電池能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和管理，研制了樣機(jī),，實(shí)際測試表明：整機(jī)供電效率在90%以上,，比功率為120 W/500 g。在鋰電池初始SOC=80%時(shí)可為容量為600升的金屬儲(chǔ)氫罐連續(xù)供電時(shí)間16 h左右,。連續(xù)工作時(shí)間以及維護(hù)等方面比傳統(tǒng)應(yīng)急供電裝備性能有極大提高，目前已經(jīng)在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化,，極具推廣價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 紀(jì)小龍，楊靜.燃料電池蓄電池混合供電系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù),，2010,，27(2)：39-43.
[2] 王文博.燃料電池的發(fā)展方向[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010(01)：118.
[3] 金科阮,，新波.復(fù)合式燃料電池供電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2008，23(3)：92-98.