專利名稱：燃料電池電子負(fù)載及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，特別涉及一種燃料電池電子負(fù)載的制作方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是用多個(gè)單片電池組成的電池組。研制新型的電池時(shí)，為了 降低研制成本，通常做法是先對(duì)單片電池進(jìn)行研究，制作出面積較小的單 片電池，然后進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，性能達(dá)到要求后再按比例放大，制成可應(yīng)用 的電池組。電池的性能評(píng)價(jià)離不開負(fù)載。性能穩(wěn)定、可調(diào)性好、適應(yīng)性強(qiáng)是電池 負(fù)載的關(guān)鍵指標(biāo)。單片燃料電池的特點(diǎn)是，低電壓大電流，空載時(shí)電壓為IV，放電電流最大時(shí)電壓降到0.2V以下。如果單片電池做的面積比較小， 最大放電電流不到IOA，負(fù)載電阻小于0.02Q即可滿足放電要求，因此， 選用分辨率為0. OIQ。的標(biāo)準(zhǔn)直流電阻箱即可做評(píng)價(jià)電池的負(fù)載了。但面積較小的樣品電池性能與實(shí)際應(yīng)用的電池還有差距，為了保證對(duì) 新研制出的單片電池的評(píng)價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際應(yīng)用的電池性能，必須加大電 池的面積。這樣，面積放大后的單片電池放電電流最大時(shí)的電壓雖然還是 0. 2V以下、但放電電流能達(dá)到60A以上，放電的負(fù)載電阻必須小于0.003Q 才行。用滑線電阻器或標(biāo)準(zhǔn)直流電阻箱顯然不行了，因?yàn)榛瑒?dòng)端的接觸電 阻就遠(yuǎn)大于這個(gè)值。必須找到電阻特別小的負(fù)載，這是燃料電池技術(shù)領(lǐng)域 的一大課題，在國內(nèi)電子負(fù)載發(fā)明專利中，很少有能滿足適合燃料電池用 的電子負(fù)載。文獻(xiàn)(l)(申請(qǐng)?zhí)?2124911.3，公開號(hào)CN1464578A)提及采用功率場(chǎng)效 應(yīng)管MOSFET的低導(dǎo)通電阻特性做為燃料電池的電子負(fù)載，通過控制其柵 源極間電壓可任意調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小。本方法為了 提高功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制 信號(hào)，通過精密隔離放大器，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電 壓，以提高控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗干擾性。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)電子元件功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)具有如下特點(diǎn)漏極電流ID，表征功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的電流容量，其測(cè)試條件為， Uw為40V, UDs為某個(gè)適當(dāng)值時(shí)的漏極電流。實(shí)際應(yīng)用中的電流Id應(yīng)該小 于60XlD運(yùn)行比較可靠。漏源擊穿電壓U(肌)Ds，表征功率MOSFET的耐壓極限。UcjfO時(shí)，漏 源之間的反向泄漏電流達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)的漏源電壓。柵源擊穿電壓U(BR)CS，表征功率MOSFET柵源間能承受的最高電壓，其值一般為士20V。開啟電壓Ugs腳，它指的是征功率MOSFET流過一定量的漏極電流時(shí) 的最小柵源電壓。當(dāng)柵源電壓等于開啟電壓時(shí)，功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET開 始導(dǎo)通。圖1中顯示的開啟電壓不到2V。功率MOSFET屬于電壓型控制 器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于 MOSFET存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過結(jié)電容 在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓，故抗干擾性較差。為了提高功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的 0-4V控制信號(hào)，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 的柵極控制電壓，以提高控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗干擾性。導(dǎo)通電阻Row，是指在確定柵源電壓Ues，功率MOSFET處于恒流區(qū) 時(shí)的直流電阻，它與輸出特性密切相關(guān)，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。如果用一組MOSFET制成電子負(fù)載，可以滿足燃料電池對(duì)低電壓大電 流微小電阻這樣的要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池電子負(fù)載的制作方法，以實(shí)現(xiàn)燃料 電池的低電壓大電流放電，具有導(dǎo)通電阻低，放電電流大，控制精度高， 抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 低導(dǎo)通電阻特性做為燃料電池的電子負(fù)載，通過控制其柵源極間電壓可任 意調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小。一種燃料電池電子負(fù)載，采用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的低導(dǎo)通電阻特 性做為燃料電池的電子負(fù)載;其核心元件就是MOSFET,為了提高功率場(chǎng)效 應(yīng)管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制信號(hào)，通過精 密隔離放大器U1，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電壓，以提 高控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗干擾性。一種燃料電池電子負(fù)載的制作方法，通過控制其柵源極間電壓可任意 調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小第一步，首先確定電源參數(shù)，確定電壓和電流值，計(jì)算出負(fù)載電阻應(yīng) 該達(dá)到多少歐姆數(shù)，才能達(dá)到放電要求；第二步，根據(jù)計(jì)算所得負(fù)載電阻阻值選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET;第三步，設(shè)計(jì)電路板，將不少于二個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET并聯(lián)， 計(jì)算并聯(lián)后的最小電阻值，判斷是否符合電子負(fù)載要求；第四步，控制電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器;控制器最少有二路A/D 轉(zhuǎn)換、 一路D/A轉(zhuǎn)換;分別用于測(cè)量電壓、電流，輸出O-4V電壓，通過精 密隔離放大器，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電壓,用于控制柵 極電壓，改變功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的導(dǎo)通電阻；第五步，智能控制器的軟件編制，在軟件中可以設(shè)定負(fù)載的功率大小和實(shí)時(shí)檢測(cè)電流的變化規(guī)律。 第六步，整機(jī)調(diào)試。所述的一種燃料電池電子負(fù)載制作方法，為了防止器件故障而過流，在每個(gè)回路中串一個(gè)過流保護(hù)電阻。為了提高功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的抗 干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控制信號(hào)，通過精密隔離放大器，再接 到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電壓，以提高控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗 干擾性。利用本方法制作的電子負(fù)載完全能滿足燃料電池評(píng)價(jià)的技術(shù)要求，具 有導(dǎo)通電阻低，放電電流大，控制精度高，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合 燃料電池大電流放電的需要。且制作成本特別低。


圖1是功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET柵源電壓U(3s與漏極電流lD其關(guān)系曲線;圖2是燃料電池電子負(fù)載實(shí)例的原理圖。
具體實(shí)施方式
例1. 200W電子負(fù)載制作步驟。首先確定電源參數(shù)，電壓0-3V，電流0-80A。負(fù)載電阻應(yīng)該達(dá)到0. 0375Q，才能達(dá)到放電要求；第二步，根據(jù)負(fù)載電阻選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 2SK2690的技術(shù)參 數(shù)是，導(dǎo)通電阻是0.01Q，最大功率是125W，最大電流是80A。第三步，設(shè)計(jì)電路板，將10個(gè)2SK2690并聯(lián)，如圖2。計(jì)算可得，并 聯(lián)后的最小電阻是可以達(dá)到0.001Q。為了防止器件故障而過流，在每個(gè)回 路中串一個(gè)過流保護(hù)電阻RS 1 RS 10。第四步，控制電路設(shè)計(jì)。用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器。 控制器最少有二路12位A/D轉(zhuǎn)換、 一路8位D/A。分別用于測(cè)量電壓、電 流，輸出0 — 4V電壓，通過精密隔離放大器Ul，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET的柵極控制電壓,用于控制柵極電壓，改變功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 的導(dǎo)通電阻。第五步，智能控制器的軟件編制。第六步，整機(jī)調(diào)試，在軟件中可以設(shè)定負(fù)載的功率大小和變化規(guī)律。 按照上述六個(gè)步驟， 一臺(tái)200W電子負(fù)載就會(huì)完成。 實(shí)際電池評(píng)價(jià)使用效果完全達(dá)到要求。圖1是柵源電壓Ues與漏極電流lD其關(guān)系曲線?？梢钥闯觯淖僓cs 的大小，可以控制功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET漏源之間的通過電流ID，而且可 控性非常好，很適合做負(fù)載。圖2是一個(gè)已經(jīng)成功的燃料電池電子負(fù)載實(shí)例的原理圖。該系統(tǒng)是 由10個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET并聯(lián)組成，每個(gè)功率MOSFET允許工作電 流I^80A，最大允許漏源電壓UDS = 60V，最大允許功耗PD=125W，通態(tài)電阻Ro!^o.oiQ。并聯(lián)后的理論總電阻可以達(dá)到o.oom，但由于連接導(dǎo)線電阻的影響，回路電阻大于理論值，仍可小于0.003Q，滿足了前面單片燃 料電池的技術(shù)要求。RS1-RS10是限流電阻，當(dāng)功率MOSFET故障短路時(shí)， 可限制電流海片功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極串接一個(gè)的電阻 Rl-R10,可減小并聯(lián)后各器件間的相互影響。將智能控制器輸出的0-4V控 制信號(hào)，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極 控制電壓，以達(dá)到控制信號(hào)的準(zhǔn)確性,減少其他信號(hào)的干擾。智能控制器是由單片計(jì)算機(jī)組成，有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，可測(cè)得 電池的電壓和放電總電流，并計(jì)算出功率。智能控制根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序， 輸出0-4V的電壓，即調(diào)節(jié)功率MOSFET的柵極控制電壓，便改變電子負(fù) 載的功率和特性。其所具有的控制方式如恒流放電控制、恒壓放電控制、 放電時(shí)間控制等，全由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。裝置技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果:設(shè)定功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極電壓Ues, 當(dāng)單個(gè)器件的電流I^10A時(shí)，漏源電壓UD^0. 17V，完全滿足單片電池評(píng) 價(jià)的技術(shù)要求。前面所述的雖然只是針對(duì)單片電池評(píng)價(jià)用負(fù)載，實(shí)際該裝置是通用 于IO片以下的電池組。制作大型電池組的電子負(fù)載時(shí)，只要根據(jù)電壓選用導(dǎo)通電阻Row高 的功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET器件，根據(jù)電流確定需要并聯(lián)器件的數(shù)量。另外 再加一些保護(hù)電路和軟件保護(hù)、聯(lián)鎖功能。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電子負(fù)載，其特征在于，采用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的低導(dǎo)通電阻特性做為燃料電池的電子負(fù)載；將智能控制器輸出的0-4V控制信號(hào)，通過精密隔離放大器U1，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電壓，通過控制其柵源極間電壓可任意調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小。
2. —種燃料電池電子負(fù)載的制作方法，其特征在于，通過控制其柵源 極間電壓可任意調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小第一步，首先確定電源參數(shù)，確定電壓和電流值，計(jì)算出負(fù)載電阻應(yīng) 該達(dá)到多少歐姆數(shù)，才能達(dá)到放電要求；第二步，根據(jù)計(jì)算所得負(fù)載電阻阻值選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET;第三步，設(shè)計(jì)電路板，將不少于二個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET并聯(lián)，計(jì) 算并聯(lián)后的最小電阻值，判斷是否符合電子負(fù)載要求；第四步，控制電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器；控制器最少有二路A/D 轉(zhuǎn)換、 一路D/A轉(zhuǎn)換；分別用于測(cè)量電壓、電流，輸出0-4V電壓，通過 精密隔離放大器，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制電壓，用于控 制柵極電壓，改變功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的導(dǎo)通電阻；第五步，智能控制器的軟件編制，在軟件中可以設(shè)定負(fù)載的功率大小 和實(shí)時(shí)檢測(cè)電流的變化規(guī)律；第六步，整機(jī)調(diào)試。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池電子負(fù)載制作方法，其特征在于，為 了防止器件故障而過流，在每個(gè)回路中串 一個(gè)過流保護(hù)電阻。
4. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池電子負(fù)載制作方法，其特征在于，為 了提高功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的抗干擾性，將智能控制器輸出的0-4V控 制信號(hào)，通過精密隔離放大器，再接到功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵極控制 電壓，以提高控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和抗干擾性。
全文摘要
一種燃料電池電子負(fù)載制作方法，采用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的低導(dǎo)通電阻特性做為燃料電池的電子負(fù)載，通過控制其柵源極間電壓可任意調(diào)整導(dǎo)通電阻的大小，即改變負(fù)載的大小，通過多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)燃料電池的低電壓大電流放電，利用本方法制作的電子負(fù)載完全能滿足燃料電池評(píng)價(jià)的技術(shù)要求，具有導(dǎo)通電阻低，放電電流大，控制精度高，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，且制作成本特別低。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101335352SQ20071001191
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者張華民, 杰 李 申請(qǐng)人:新源動(dòng)力股份有限公司