一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于燃料电池系统控制技术领域，公开了一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法，包括控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路和驱动电路；所述控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，数据采样电路连接有传感器和分压采样电路，驱动电路与受控器件和外部设备相连。本发明专利技术提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够监测燃料电池系统运行环境并进行启停保护，同时设计电池短路电路延长工作寿命，实现燃料电池系统的长久运行；有效避免了系统运行过程中的低压、过流、高温和漏氢问题，保证燃料电池系统安全稳定运行。料电池系统安全稳定运行。料电池系统安全稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池系统控制
，尤其涉及一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。

技术介绍

[0002]目前，随着人类社会文明的不断进步，能源消费日益增长，环境污染日趋严重。氢能作为一种绿色清洁能源逐渐走进大众的视野，是解决人类能源危机问题的有效方案。氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是指利用氢气和氧气发生电化学反应，将内部化学能直接转变为电能的装置。其反应过程中只产生水和热，具有零污染、低噪声、高热值等优点，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。
[0003]阴极开放式氢燃料电池具有较为简单的辅助系统，无需在阴极利用空压机进行氧气供应，而是直接利用风扇组件抽入氧气，同时达到对电池散热的目的，降低了结构复杂度与制造成本。系统控制装置是用来监测燃料电池运行状态，依据现实负载功率需求及时调整系统内部状态，保持最佳功率输出环境的最小控制系统。燃料电池在运行过程中，其内部进行着非常复杂的物理化学反应，若控制装置保护措施不完善或控制方式不可靠时，会严重影响燃料电池的输出性能与寿命，更甚者会造成燃料电池的永久损坏。当前市场上的燃料电池价格昂贵，控制装置随燃料电池配套出售，若因操作不当造成装置损坏，其维修过程繁琐且成本较高，同时受限于厂商技术保密，个人无法进行二次开发设计。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的燃料电池系统控制装置都与同品牌燃料电池配套出售，其价格昂贵、安全可靠性低、技术保密、二次开发设计难度较高、损坏后不易维修。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。
[0006]本专利技术是通过信号采集电路采集燃料电池系统电压、电流、温度、驱动等信号，由控制模块分析处理后向相关驱动电路发出控制信号，调整燃料电池运行状态，完成系统的安全稳定控制目标。一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置包括：控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路；所述控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，数据采样电路连接有传感器和分压采样电路，驱动电路与受控器件和外部设备相连；所述控制模块用于接收来自数据采样电路的采样数据，经分析处理后向相关驱动电路发出控制指令；所述数据采样电路用于进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；
所述驱动电路用于在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作。
[0007]进一步，数据采样电路包括开关信号采样电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、电池温度采样电路、装置供电采样电路、氢气检测采样电路、短路信号采样电路；驱动电路包括开关驱动电路、警报驱动电路、输入输出驱动电路、氢供阀驱动电路、吹扫阀驱动电路、风扇驱动电路、短路驱动电路。
[0008]进一步，开关信号采样电路与开关驱动电路具体为：12V供电电源滤波与保护电路中的二极管D1负极输出端与复位开关S1、三极管QP1的发射极相连，复位开关S1两端并联电容C3，复位开关S1另一端经二极管D2后接三极管QP1的集电极，复位开关S1另一端同时分别经电阻R1和R2接地，电阻R1和R2之间引出采样口接入控制模块GPIO64引脚，三极管QP1的基极与发射极间接电阻R3，三极管QP1的基极还与三极管QN1的集电极相连，三极管QP1的集电极还引出+12V电源端口并经电解质电容C4后接地，控制模块GPIO65经电阻R4接三极管QN1的基极，QN1的发射极接地。
[0009]进一步，输入电压采样电路与输入输出驱动电路具体为：装置正极输入Vin+依次经过电阻R5、可调电阻R6和电阻R7接地，同时电容C5并联在电阻R7两端，可调电阻R6的滑动触点和电阻R7相连，同时接入控制模块ADCINA0引脚；N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4分别两两并联且源极共同连接模拟地AGND，装置正极输入Vin+接N沟道增强型场效应管M1和M2的漏极，装置正极输出Vout+接N沟道增强型场效应管M3和M4的漏极；控制模块GPIO66引脚经电阻R9连接光耦隔离元件U4的AN引脚，光耦隔离元件U4的CAT引脚直接接地，光耦隔离元件U4的COL引脚连接隔离供电12V与三极管QN2的集电极，光耦隔离元件U4的EM引脚同时连接三极管QN2与三极管QP2的基极，且经电阻R10连接至三极管QP2的集电极最后共同连接模拟地AGND，三极管QN2的发射极和三极管QP2的发射极相连，同时连接N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4的栅极，且经电阻R8连接至四个N沟道增强型场效应管的源极。
[0010]进一步，输入电流采样电路具体为：电流传感器U6的输入端口接燃料电池正极Vfc_in，输出端口接装置正极输入Vin+，电流传感器U6的正负极供电引脚分别连接+5V电源端口和地，采样数据输出引脚Sfc经电阻R12连接运算放大器U7的同相输入端与电阻R13，电阻R13另一端接地，电容C6两端分别连接+5V电源端口和地，+5V电源端口依次经电阻R14、可变电阻R15、电阻R17接运算放大器U7的反相输入端，可变电阻R15的滑动触点与电阻R17相连，同时经电阻R16后接地，电阻R18与电容C7并联且分别连接运算放大器U7的反相输入端和输出端，运算放大器U7的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U7的输出端接入控制模块ADCINA1引脚。
[0011]进一步，电池温度采样电路具体为：+5V电源端口经电阻R19和热敏电阻RT1接地，电容C8两端分别连接+5V电源端口和地，电阻R19与热敏电阻RT1连接端接入运算放大器U8的同相输入端，+5V电源端口经可变电阻R20和电阻R21接地，可变电阻R20的滑动触点也连接电阻R21且经电阻R22后与运算放大器U8的反相输入端相连，电阻R23与电容C9并联且分别连接运算放大器U8的反相输入端和输出端，运算放大器U8的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U8的输出端接入控制模块ADCINA2引脚。
[0012]进一步，装置供电采样电路具体为：供电电源Vs_12V与电解质电容C10正极相连，电解质电容C10负极接地，供电电源Vs_12V经电阻R24、可变电阻R25与运算放大器U9的同相
输入端相连，可变电阻R25的滑动触点与运算放大器U9的同相输入端相连，电阻R26两端分别连接运算放大器U9的同相输入端和地，运算放大器U9的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U9的反相输入端与输出端相连，且输出端接入控制模块ADCINA3引脚；短路信号采样与短路驱动电路具体为：+5V电源端口经电阻R27、电源开关S2和电阻R28后接地，电容C11并联在电源开关S2的两端，电源开关S2与电阻R28之间引出采样口接入控制模块GPIO68引脚；+12V电源端口接电解质电容C12的正极，电解质电容C12的负极接地，+12V电源端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置，其特征在于，所述阴极开放式氢燃料电池系统控制装置包括：控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路；所述控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，数据采样电路连接有传感器和分压采样电路，驱动电路与受控器件和外部设备相连；所述控制模块用于接收来自数据采样电路的采样数据，经分析处理后向相关驱动电路发出控制指令；所述数据采样电路用于进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；所述驱动电路用于在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作。2.如权利要求1所述的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置，其特征在于，数据采样电路包括开关信号采样电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、电池温度采样电路、装置供电采样电路、氢气检测采样电路、短路信号采样电路；驱动电路包括开关驱动电路、警报驱动电路、输入输出驱动电路、氢供阀驱动电路、吹扫阀驱动电路、风扇驱动电路、短路驱动电路。3.如权利要求2 所述的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置，其特征在于，开关信号采样电路与开关驱动电路具体为：12V供电电源滤波与保护电路中的二极管D1负极输出端与复位开关S1、三极管QP1的发射极相连，复位开关S1两端并联电容C3，复位开关S1另一端经二极管D2后接三极管QP1的集电极，复位开关S1另一端同时分别经电阻R1和R2接地，电阻R1和R2之间引出采样口接入控制模块GPIO64引脚，三极管QP1的基极与发射极间接电阻R3，三极管QP1的基极还与三极管QN1的集电极相连，三极管的QP1的集电极还引出+12V电源端口并经电解质电容C4后接地，控制模块GPIO65经电阻R4接三极管QN1的基极，QN1的发射极接地。4.如权利要求2 所述的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置，其特征在于，输入电压采样电路与输入输出驱动电路具体为：装置正极输入Vin+依次经过电阻R5、可调电阻R6和电阻R7接地，同时电容C5并联在电阻R7两端，可调电阻R6的滑动触点和电阻R7相连，同时接入控制模块ADCINA0引脚；N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4分别两两并联且源极共同连接模拟地AGND，装置正极输入Vin+接N沟道增强型场效应管M1和M2的漏极，装置正极输出Vout+接N沟道增强型场效应管M3和M4的漏极；控制模块GPIO66引脚经电阻R9连接光耦隔离元件U4的AN引脚，光耦隔离元件U4的CAT引脚直接接地，光耦隔离元件U4的COL引脚连接隔离供电12V与三极管QN2的集电极，光耦隔离元件U4的EM引脚同时连接三极管QN2与三极管QP2的基极，且经电阻R10连接至三极管QP2的集电极最后共同连接模拟地AGND，三极管QN2的发射极和三极管QP2的发射极相连，同时连接N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4的栅极，且经电阻R8连接至四个N沟道增强型场效应管的源极。5.如权利要求2 所述的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置，其特征在于，输入电流采样电路具体为：电流传感器U6的输入端口接燃料电池正极Vfc_in，输出端口接装置正极输入Vin+，电流传感器U6的正负极供电引脚分别连接+5V电源端口和地，采样数据输出引脚Sfc经电阻R12连接运算放大器U7的同相输入端与电阻R13，电阻R13另一端接地，电容C6两
端分别连接+5V电源端口和地，+5V电源端口依次经电阻R14、可变电阻R15、电阻R17接运算放大器U7的反相输入端，可变电阻R15的滑动触点与电阻R17相连，同时经电阻R16后接地，电阻R18与电容C7并联且分别连接运算放大器U7的反相输入端和输出端，运算放大器U7的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U7的输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：马睿，孙海龙，王聪聪，宋剑，徐良材，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：