CN111342087A - 燃料电池动力***用rmfc控制模块解析电路*** - Google Patents

燃料电池动力***用rmfc控制模块解析电路*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了燃料电池技术领域的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，包括供电锂电池、外置锂电池、MCU和电源转换模块，MCU包括通过SPI通讯方式信号连接的单片机和温度处理芯片，供电锂电池和外置锂电池一端通过电子开关分别连接有电源块1和电源块2，具备更高的能量转换效率；相对于普通电池，燃料电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应，原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电，RMFC控制模块作为燃料电池的核心部件具有工作效率高，***稳定，采样及侦测精度高等优点，可作为军用便携式电源、无人机、新能源车载等控制***使用。

Description

燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***。
背景技术
随着我国GDP的不断增长，经济发展速度进入新常态阶段，能源消费快速增长，作为世界第一大能源消费国，我国能源的对外依存度接近60％。能源短缺不仅是民生，也是军队面临的难题之一，筹划新能源刻不容缓。其中燃料电源逐渐成为世界能源和交通领域的研发热点。目前我国市场上30W、60W轻量化携行甲醇燃料电源处于空白状态，对甲醇燃料电池的研究正如火如荼的进行，燃料电池需要设置控制模块，如RMFC控制模块，通过控制模块对电池充放电进行监测，便于了解电池的工作状态，故亟需设计一种控制模块电路，来满足燃料电池的工作状态控制，基于此，本发明设计了燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种控制模块电路，来满足燃料电池的工作状态控制的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，包括供电锂电池、外置锂电池、MCU和电源转换模块，所述MCU包括通过SPI通讯方式信号连接的单片机和温度处理芯片，所述供电锂电池和外置锂电池一端通过电子开关分别连接有电源块1和电源块2，所述电源块1和电源块2的另一端均连接有燃料电池和电阻，所述电阻通过电子开关接地，所述供电锂电池通过供电电路和分压电路与电源转换模块电连接，且供电电路和分压电路连接，所述电源转换模块与MCU电连接，所述MCU的单片机信号连接有电机模块、电加热棒模块、液位传感器、显示屏幕和485通信模块，所述MCU的温度处理芯片信号连接有热电偶模块。
进一步的，所述单片机和温度处理芯片分别采用FS32K144HFT0MLLT单片机和ADS1148芯片。
进一步的，所述供电电路包括URB2412LD-30WR3芯片及配套电路。
进一步的，所述分压电路包括通过电阻搭建的升压和降压部分。
进一步的，所述电源转换模块包括TPS54360转换器，所述TPS54360转换器的BOOT脚与SW脚之间连接有电容C3，所述TPS54360转换器的SW脚还连接有二极管D1和电感L1，所述二极管D1的另一端接地，所述电感L1的另一端连接有电容C6～C8、电阻R4和电阻R5，所述电容C6～C8的另一端接地，所述电阻R4的另一端接+5V，所述电阻R5的另一端通过串接电阻R10接地，所述TPS54360转换器的COMP脚并接有电阻R7和电容C9，所述电阻R7的另一端串接电容C10，所述电容C10和电容C9的另一端均接地，所述TPS54360转换器的VIN脚并接有电容C4、C5、电阻R6和+VBAT，所述电容C4、C5的另一端连接地线和电阻R8、R9，所述电阻R8的另一端与TPS54360转换器的RT/CLK脚连接，所述电阻R9的另一端与电阻R6和TPS54360转换器的EN脚连接。
进一步的，所述电源转换模块通过电源驱动电路与温度处理芯片电连接，所述电源驱动电路包括电源转换器B0512S-1WR3和AMS1117-5.0稳压芯片及配套电路。
进一步的，所述热电偶模块包括八路K型热电偶，八路所述K型热电偶分别采集的位置是燃料电池的电堆外侧、电堆内侧、汽化、重整前温度、重整后温度和尾气温度且预留两路。
进一步的，所述电机模块包括燃烧风机、阴极风机、燃烧泵、重整泵及其电机控制电路。
进一步的，所述电加热棒模块包括电加热棒及配套加热电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中燃料电池不受卡诺循环的限制，具备更高的能量转换效率；相对于普通电池，燃料电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应，原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电，RMFC控制模块作为燃料电池的核心部件具有工作效率高，***稳定，采样及侦测精度高等优点，可作为军用便携式电源、无人机、新能源车载等控制***使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明***原理图；
图2为本发明供电电路图；
图3为本发明分压电路图；
图4为图1中电源转换模块电路原理图；
图5为本发明电源驱动电路图；
图6为本发明温度处理芯片原理图；
图7为本发明电机控制电路图；
图8为本发明加热电路图；
图9为本发明工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，包括供电锂电池、外置锂电池、MCU和电源转换模块，所述MCU包括通过SPI通讯方式信号连接的单片机和温度处理芯片，所述供电锂电池和外置锂电池一端通过电子开关分别连接有电源块1和电源块2，所述电源块1和电源块2的另一端均连接有燃料电池和电阻，所述电阻通过电子开关接地，所述供电锂电池通过供电电路和分压电路与电源转换模块电连接，且供电电路和分压电路连接，所述电源转换模块与MCU电连接，所述MCU的单片机信号连接有电机模块、电加热棒模块、液位传感器、显示屏幕和485通信模块，所述MCU的温度处理芯片信号连接有热电偶模块。
其中，所述单片机和温度处理芯片分别采用FS32K144HFT0MLLT单片机和ADS1148芯片。
所述供电电路包括URB2412LD-30WR3芯片及配套电路。
所述分压电路包括通过电阻搭建的升压和降压部分，如图2和3所示，选用12V/16800mAh的锂电池为整个***提供初始电源的供电锂电池，当燃料电池发电后，甲醇燃料电池再作为供电设备给锂电池和外部其他设备提供输入电源，经实验计算，每公斤甲醇大约可以发1.3kWh电量，此处电源芯片选择URB2412LD-30WR3作为单路输出的电源转换器，空载功耗低至0.14W，EC1、EC11、C135、EC2为输入输出滤波电容，降低输入输出纹波，Trim为输出电压调节引脚，可通过分压电路对输出电压进行调节。
所述电源转换模块包括TPS54360转换器，所述TPS54360转换器的BOOT脚与SW脚之间连接有电容C3，所述TPS54360转换器的SW脚还连接有二极管D1和电感L1，所述二极管D1的另一端接地，所述电感L1的另一端连接有电容C6～C8、电阻R4和电阻R5，所述电容C6～C8的另一端接地，所述电阻R4的另一端接+5V，所述电阻R5的另一端通过串接电阻R10接地，所述TPS54360转换器的COMP脚并接有电阻R7和电容C9，所述电阻R7的另一端串接电容C10，所述电容C10和电容C9的另一端均接地，所述TPS54360转换器的VIN脚并接有电容C4、C5、电阻R6和+VBAT，所述电容C4、C5的另一端连接地线和电阻R8、R9，所述电阻R8的另一端与TPS54360转换器的RT/CLK脚连接，所述电阻R9的另一端与电阻R6和TPS54360转换器的EN脚连接，如图4所示，芯片使用降压直流/直流转换器TPS54360，TPS54360是一款具有集成型高侧MOSFET的60V、3.5A降压稳压器，静态工作电流低至146μA，当输入电压接通后，EN使能脚通过R6和R9分压后为1.69V，始终保持H的有效状态，此时芯片开始工作；我们可以通过RT与GND之间的电阻R8来设定芯片工作频率，当选择频率f(sw)＝300kHz时，根据数据手册中的公式Rt＝101756*f(sw)-1.008得出R8为324K；C3放置在BOOT和SW之间，为自举电容，抬高端电压，为芯片内部MOS的打开和关断提供能量。
所述电源转换模块通过电源驱动电路与温度处理芯片电连接，所述电源驱动电路包括电源转换器B0512S-1WR3和AMS1117-5.0稳压芯片及配套电路，如图5所示，+5V给电源转换器B0512S-1WR3提供输入电压，其中Q46和Q45形成MOS通断电路，当PTD9为高电平时，Q45、Q46同时打开，U12开始工作；当PTD9为低电平时，Q45、Q46关断，U12不工作，这一处理减小了整体设计的功耗；U12稳定输出12V电压，再通过AMS117-5.0稳压芯片转出+5VCC，+5VCC给热电偶的温度处理芯片ADS1148供电，此处采用完全隔离的方式，避免讯号干扰引起的信号失真，维持温度处理的准确度，在PCB上布线时对GND和GND4在铺铜时做完全隔断处理。
所述热电偶模块包括八路K型热电偶，八路所述K型热电偶分别采集的位置是燃料电池的电堆外侧、电堆内侧、汽化、重整前温度、重整后温度和尾气温度且预留两路，K型热电偶正极(KP)的名义化学成分为：Ni：Cr＝90:10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni:Si＝97：3，其使用温度为-200℃～1300℃；将热电偶一端连接电堆对应位置，另一端连接温度处理芯片控制接口，分别接AINP和AINN，当电堆被加热时，热电偶回路产生产生热电势，根据热电动势和温度的函数关系，制成热电偶分度表，通过查询分度表来测算出电堆的实际温度，热电偶产生的热电动势通过ADS1148芯片进行模数转换。
所述电机模块包括燃烧风机、阴极风机、燃烧泵、重整泵及其电机控制电路，如图7所示，以燃烧风机的电机控制电路进行分析，FTM3_CH2是来自单片机的高低电平，当FTM3_CH2为高电平时，Q18导通，Q17的gate极为低电平，Q17打开，CN6与GND连接，燃烧风机电路回路形成完整回路；此时燃烧风机电源电压为12V，FTM3_CH3是来自单片机的PWM讯号，当甲醇进液之后，单片机会实时侦测燃烧室的温度，根据不同温度来对PWM的占空比进行调节，即改变燃烧风机的转速，从而使燃烧室温度进行相应的变化，当燃烧室温度达到250℃时，关闭燃烧风机和燃烧泵，重整泵和阴极风机开始工作，工作原理同上，此处需对电堆各处温度进行重新采样及补偿，不断调整进液量和重整量。
所述电加热棒模块包括电加热棒及配套加热电路，本设计中有两路加热电路，可提供两个60W的加热棒工作，如图8所示，FTM0_CH1是来自单片机的PWM控制讯号，CN12接到60W的加热棒两端，当FTM0_CH1为高电平时，三极管Q34导通，MOS Q33打开，加热棒通过+VBAT通入12V，通过改变控制端的占空比来控制加热棒的加热时间，从而控制加热温度，当加热棒加热至100℃时，甲醇开始进入，燃烧泵燃烧风机开始工作，这是一个电化学的过程。
液位传感器采用压力式传感器，将测量到的压力转换为电信号，再经过放大电路的放大和补偿电路的补偿，最后以4～20mA或0～10mA的电流方式输出，当液位传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为：Ρ＝ρ.g.H+Po，式中：P：变送器迎液面所受压强、ρ：被测液体密度、g：当地重力加速度、Po：液面上大气压、H：传感器投入液体的深度，同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为ρ.g.H，显然，通过测取压强P，可以得到液位深度；压力式传感器稳定性好，零位长期稳定性可达0.1％FS/年，在补偿温度0～70℃范围内，温度飘移低于0.1％FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3％FS。
采用的是恩智浦公司的单片机FS32K144HFT0MLLT，其拥有功能强大的外设和数据处理能力，在甲醇燃料电池控制***中，单片机需要对燃料电池和锂电池进行连续的电压、电流采样，以实现对DC/DC转换器的控制、***电压电流的保护以及设计的能量管理策略；同时单片机还需要和芯片ADS1148进行通讯，时刻关注热电偶的温度变化，及时对风机和加热棒进行管理和控制。首先由一个外置的12V电池组给RMFC控制模块(包括MCU及其连接部件和电源块1和电源块2)提供12V工作电压，经过电源转换模块电路，在控制***中提供5V，12V，3.3V的数字电源信号以及5VCC，12VCC等模拟电源信号，同时进行相关信号的信号隔离；在电源电压稳定的情况下，MCU通过自身加载的软件对电堆进行燃烧、重整控制，并通过八路热电偶网络实时侦测电堆各部位温度情况；在甲醇水不断消耗的过程中，控制模块通过液位传感器监测水位，并将水位讯号转换为电信号进行处理，在低于一定水位时，报警请求添加溶液，整个***在进行工作的过程中，RMFC控制模块还需要在电堆稳定工作的同时，进行电压电流信号的侦测与控制，在发生异常时及时处理以防电堆及其他元件损坏。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，包括供电锂电池、外置锂电池、MCU和电源转换模块，其特征在于：所述MCU包括通过SPI通讯方式信号连接的单片机和温度处理芯片，所述供电锂电池和外置锂电池一端通过电子开关分别连接有电源块1和电源块2，所述电源块1和电源块2的另一端均连接有燃料电池和电阻，所述电阻通过电子开关接地，所述供电锂电池通过供电电路和分压电路与电源转换模块电连接，且供电电路和分压电路连接，所述电源转换模块与MCU电连接，所述MCU的单片机信号连接有电机模块、电加热棒模块、液位传感器、显示屏幕和485通信模块，所述MCU的温度处理芯片信号连接有热电偶模块。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述单片机和温度处理芯片分别采用FS32K144HFT0MLLT单片机和ADS1148芯片。
3.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述供电电路包括URB2412LD-30WR3芯片及配套电路。
4.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述分压电路包括通过电阻搭建的升压和降压部分。
5.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述电源转换模块包括TPS54360转换器，所述TPS54360转换器的BOOT脚与SW脚之间连接有电容C3，所述TPS54360转换器的SW脚还连接有二极管D1和电感L1，所述二极管D1的另一端接地，所述电感L1的另一端连接有电容C6～C8、电阻R4和电阻R5，所述电容C6～C8的另一端接地，所述电阻R4的另一端接+5V，所述电阻R5的另一端通过串接电阻R10接地，所述TPS54360转换器的COMP脚并接有电阻R7和电容C9，所述电阻R7的另一端串接电容C10，所述电容C10和电容C9的另一端均接地，所述TPS54360转换器的VIN脚并接有电容C4、C5、电阻R6和+VBAT，所述电容C4、C5的另一端连接地线和电阻R8、R9，所述电阻R8的另一端与TPS54360转换器的RT/CLK脚连接，所述电阻R9的另一端与电阻R6和TPS54360转换器的EN脚连接。
6.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述电源转换模块通过电源驱动电路与温度处理芯片电连接，所述电源驱动电路包括电源转换器B0512S-1WR3和AMS1117-5.0稳压芯片及配套电路。
7.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述热电偶模块包括八路K型热电偶，八路所述K型热电偶分别采集的位置是燃料电池的电堆外侧、电堆内侧、汽化、重整前温度、重整后温度和尾气温度且预留两路。
8.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述电机模块包括燃烧风机、阴极风机、燃烧泵、重整泵及其电机控制电路。
9.根据权利要求1所述的燃料电池动力***用RMFC控制模块解析电路***，其特征在于：所述电加热棒模块包括电加热棒及配套加热电路。
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