專利名稱：基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及供電電源，尤其是基于氫燃料電池的通信用電源系統(tǒng)制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球能源短缺與環(huán)保問題的日益突出，新能源的應(yīng)用研究開發(fā)已受到世界各國的大力關(guān)注，因此研發(fā)清潔、環(huán)保的新型 能源具有重要意義。燃料電池由于高效、潔凈、便捷的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了世界各國的高度重視和大力資助，基于氫能的燃料電池技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，已有大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，并在眾多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，為燃料電池的應(yīng)用開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。隨著社會進(jìn)步、人民生活水平的普遍提高和通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信電源得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的通信用電源系統(tǒng)一般包含市電電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和備用電源系統(tǒng)兩大部分，其中市電電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要通過對市電進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)換后輸出適合通信設(shè)備使用的直流電源，備用電源系統(tǒng)在市電停電或故障時提供通信設(shè)備運(yùn)行的備用電源，保障通信設(shè)備短時間內(nèi)的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的通信用電源系統(tǒng)中備用電源系統(tǒng)一般采用鉛酸蓄電池組，鉛酸蓄電池優(yōu)點(diǎn)是比較安全且采購成本較低，其缺點(diǎn)是體積大、笨重、使用壽命短、不可進(jìn)行二次回收在利用、廢棄后造成一次和二次環(huán)境污染、備電時間有限且有不確定性、對環(huán)境溫度要求苛刻，其使用和推廣受到很大的限制。另外傳統(tǒng)的通信用電源系統(tǒng)中市電電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和備用電源系統(tǒng)是兩個獨(dú)立的供電系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)間無直接通信接口和管理單元，需要在兩者之間添加監(jiān)控設(shè)備，協(xié)調(diào)兩者的工作，不便于管理和維護(hù)，增加系統(tǒng)的維護(hù)成本和難度。鑒于傳統(tǒng)通信用電源系統(tǒng)的種種缺點(diǎn)，加之能源危機(jī)和人們環(huán)保意識的提高，尋求新的通信用電源系統(tǒng)呼聲越來越高。由于燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，清潔、無污染、噪聲低，比功率高，逐漸被公認(rèn)為能夠取代蓄電池作為通信電源系統(tǒng)中的備用電源，因此研發(fā)基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用市場。中國專利200910061032. I中提出了一種通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，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(shè)備需要在系統(tǒng)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(dāng)外部市電出現(xiàn)短暫停電或頻繁的起停時，系統(tǒng)也會隨之進(jìn)行相應(yīng)的動作。中國專利201110081524. 4中公開了一種基于燃料電池的不間斷電源供電系統(tǒng)，該方案僅作為UPS電源系統(tǒng)，未考慮負(fù)載突變時如何調(diào)整其供電，未對輔助供電裝置進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)，該備用電源系統(tǒng)由燃料電池與儲能電池通過單向二極管連接后為通訊負(fù)載提供備用電源，在該系統(tǒng)中由于燃料電池輸出的電壓不穩(wěn)定，具有軟電壓特性，不能為負(fù)載提供穩(wěn)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)主要描述了燃料電池部分的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，未詳細(xì)描述備用電源系統(tǒng)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(shù)方案，都是將燃料電池作為電源系統(tǒng)的備用電源代替原有的蓄電池，沒有從電源系統(tǒng)整體來考慮，需要在備用電源系統(tǒng)和電源系統(tǒng)之間針對不同的用電設(shè)備添加相應(yīng)的檢測控制裝置，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，也降低了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是研究一種基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，以氫氣為燃料，長時間為通信設(shè)備提供穩(wěn)定、大功率的直流供電；系統(tǒng)通過內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測和自動控制，實(shí)現(xiàn)不間斷供電切換，在切換過程中由蓄電池組為負(fù)載提供短時間的電源供電，并為燃料電池系統(tǒng)啟動和控制單元提供輔助電源。本發(fā)明是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的一種基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，包括市電供電回路100、燃料電池供電回路200、蓄電池供電回路300、系統(tǒng)控制單元400、弱電供電單元500和人機(jī)接口；其中市電供電回路100、燃料電池供電回路200、蓄電池供電回路300的輸出端并聯(lián)于系統(tǒng)直流母線，為負(fù)載提供電力；系統(tǒng)控制單元400為整個系統(tǒng)的智能控制單元，控制系統(tǒng)的全自動運(yùn)行；弱電供電單元500為整個電源系統(tǒng)提供弱電；人機(jī)接口為系統(tǒng)提供顯示、外接通信接口等人機(jī)交互功能；系統(tǒng)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(jī)接口連接，進(jìn)行控制命令、參數(shù)的傳輸；系統(tǒng)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(guān)DK連接；弱電供電單元500 —端與系統(tǒng)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(tǒng)控制單元400連接，分別提供土 15V，+5V，+3. 3V弱電。上述幾部分構(gòu)成本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架。通過以上的技術(shù)方案，本發(fā)明一種基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，可以利用氫氣作為主要燃料，配合市電供電回路、蓄電池供電回路，構(gòu)成一個完整的通信電源系統(tǒng)，輸出滿足通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定電壓為DC48V、電壓范圍為DC43. 2V DC57.6V的直流電源。該電源系統(tǒng)清潔、高效、可靠，適合各種通信設(shè)備使用，能夠長時間、穩(wěn)定的為通信設(shè)備提供電力，保證通信設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)供電。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明利用AC/DC控制單元自動監(jiān)測市電供電情況，通過內(nèi)部控制實(shí)現(xiàn)市電實(shí)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(jiān)測裝置，易用性及通用性好，不會頻繁來回切換系統(tǒng)供電回路。2.本發(fā)明具有蓄電池供電回路，能夠不需外部供電啟動運(yùn)行，同時蓄電池回路能夠進(jìn)行功率補(bǔ)償。在負(fù)載突變時由于燃料電池輸出響應(yīng)較慢，不能及時響應(yīng)負(fù)載突變，將會導(dǎo)致直流總線電壓下降而影響設(shè)備的正常工作，此時蓄電池供電回路能夠支撐由于負(fù)載突然增加而導(dǎo)致的功率缺額，保護(hù)燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.本發(fā)明具有高效率的DC/DC單元1，能夠?qū)⑷剂想姵剌敵龅牟环€(wěn)定直流變換成穩(wěn)定的負(fù)載需求直流，使得在燃料電池供電回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(bǔ)償，有利于保護(hù)蓄電池組，延長蓄電池的使用壽命。4.本發(fā)明具有蓄電池充電管理單元，能夠?qū)崟r監(jiān)測蓄電池的狀態(tài)，預(yù)測蓄電池的SOC值，以維持蓄電池組SOC動態(tài)平衡于一定的小范圍內(nèi)，縮小蓄電池特性離散度，延長蓄電池的使用壽命。5.本發(fā)明具有系統(tǒng)控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)測、供電回路自動切換、蓄電池自動充電管理，并提供人機(jī)接口。6.本發(fā)明作為一個整體電源系統(tǒng)，不是一個備用電源系統(tǒng)，綜合考慮了整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和維護(hù)難度，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。


圖I為基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為電源系統(tǒng)工作流程。
圖3為燃料電池供電回路的效率曲線。圖4為市電供電回路的效率曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳述。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示，該電源系統(tǒng)包括市電供電回路100、燃料電池供電回路200、蓄電池供電回路300、系統(tǒng)控制單元400、弱電供電單元500和人機(jī)接口。其中市電供電回路100、燃料電池供電回路200、蓄電池供電回路300的輸出端并聯(lián)于系統(tǒng)直流母線，為負(fù)載提供電力；系統(tǒng)控制單元400為整個系統(tǒng)的智能控制單元，控制系統(tǒng)的全自動運(yùn)行；弱電供電單元500為整個電源系統(tǒng)提供弱電。人機(jī)接口為系統(tǒng)提供顯示、外接通信接口等人機(jī)交互功能。市電供電回路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(shù)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(guān)K2與市電供電回路100的輸入端連接，然后依次并聯(lián)一電壓檢測傳感器、串聯(lián)一電流檢測傳感器后與有源功率因數(shù)校正APFC單元110的一個輸入端連接，有源功率因數(shù)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(tǒng)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(shù)校正APFC單元110、隔離DC/DC變換單元120連接，實(shí)現(xiàn)對有源功率因數(shù)校正APFC單元110、隔離DC/DC變換單元120的控制，并通過CAN總線與系統(tǒng)控制單元400連接，進(jìn)行控制命令/參數(shù)的傳輸。蓄電池供電回路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(guān)DK、浪涌保護(hù)電阻R及大功率二極管。蓄電池組310的一個輸出端并聯(lián)一電壓檢測傳感器、串聯(lián)一電流檢測傳感器后與電子開關(guān)DK的一端連接，電子開關(guān)DK的另一端與大功率二極管的一端連接，大功率二極管的另一端與系統(tǒng)直流母線連接。浪涌保護(hù)電阻R的一端與電子開關(guān)DK的輸入端連接，浪涌保護(hù)電阻R的另一端與開關(guān)Kl連接，開關(guān)Kl的另一端與電子開關(guān)DK的輸出端連接，電子開關(guān)DK的控制端與系統(tǒng)控制單元400連接，實(shí)現(xiàn)涌保護(hù)電阻R的自動切除控制；蓄電池充電管理單元320 —端與系統(tǒng)直流總線連接，另一端與蓄電池組310連接，實(shí)現(xiàn)對蓄電池組310的充電管理。燃料電池供電回路200包括依次相連接的燃料電池控制器220、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)210、DC/DC變換單元230、DC/DC變換單元240。其中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)210的輸出端依次并聯(lián)一電壓檢測傳感器、串聯(lián)一電流檢測傳感器、串聯(lián)一保險(xiǎn)絲Fl、串聯(lián)一大功率二極管后與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(tǒng)直流母線連接；DC/DC變換單元240的輸入端與系統(tǒng)直流母線連接，DC/DC變換單元240的輸出端依次并聯(lián)一電壓檢測傳感器、串聯(lián)一電流檢測傳感器、串聯(lián)一保險(xiǎn)絲F2后與燃料電池控制器220連接，為燃料電池控制器220及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)210連接，實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電控制；燃料電池控制器220通過CAN總線與系統(tǒng)控制單元400連接，進(jìn)行控制命令/參數(shù)的傳輸；弱電供電單元500 —端與系統(tǒng)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(tǒng)控制單元400連接，分別為他們提供±15V，+5V，+3. 3V弱電。系統(tǒng)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(jī)接口連接，進(jìn)行控制命令、參數(shù)的傳輸；系統(tǒng)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(guān)DK連接，直接控 制他們的運(yùn)行。系統(tǒng)直流母線輸出依次串聯(lián)一保險(xiǎn)管F3、并聯(lián)一電壓檢測傳感器、串聯(lián)一電流檢測傳感器后與開關(guān)K3的一端連接，開關(guān)K3的另一端直接與通信負(fù)載連接。電源系統(tǒng)的啟動流程如圖2所示。系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，首先閉合開關(guān)K1，由蓄電池組310給電源系統(tǒng)提供啟動輔助電源；閉合開關(guān)Kl后，連接在系統(tǒng)直流母線上的弱電供電單元500開始啟動，輸出系統(tǒng)需要的±15V，+5V，+3. 3V等弱電；在弱電±15V，+5V，+3. 3V供電正常后，系統(tǒng)控制單元400啟動，系統(tǒng)控制單元400首先初始化整個系統(tǒng)的各個控制器，檢測系統(tǒng)各單元的狀態(tài)參數(shù)；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啟動后，給燃料電池控制器220提供輔助電源，啟動燃料電池系統(tǒng)；隨后閉合開關(guān)K2，將市電AC220V接入電源系統(tǒng)的市電供電回路100，系統(tǒng)控制單元400便進(jìn)入全自動工作模式。最后閉合開關(guān)K3連接通信設(shè)備負(fù)載，對外輸出電力。系統(tǒng)控制單元400不斷檢測市電供電情況，當(dāng)檢測到市電供電正常時，系統(tǒng)控制單元400啟動市電供電回路100對負(fù)載供電，停止燃料電池供電回路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(jìn)行充電；當(dāng)檢測到市電供電停電或故障時，系統(tǒng)控制單元400啟動蓄電池供電回路300對負(fù)載臨時供電，切斷市電供電回路100，啟動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)210開始發(fā)電，待燃料電池發(fā)電系統(tǒng)210發(fā)出穩(wěn)定電源后切換到燃料電池供電回路200供電，蓄電池供電回路300作為補(bǔ)償供電回路；當(dāng)系統(tǒng)控制單元400當(dāng)檢測到市電供回路100、燃料電池供電回路200均故障時，由蓄電池組310對負(fù)載供電，并產(chǎn)生報(bào)警信息上傳給人機(jī)接口，在蓄電池組310電壓低于保護(hù)閾值時，自動切斷負(fù)載。
權(quán)利要求
1.一種基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，包括市電供電回路(100)、燃料電池供電回路(200)、蓄電池供電回路(300)、系統(tǒng)控制單元(400)、弱電供電單元(500)和人機(jī)接口 ；其中市電供電回路、燃料電池供電回路、蓄電池供電回路的輸出端并聯(lián)于系統(tǒng)直流母線，為負(fù)載提供電力；系統(tǒng)控制單元為整個系統(tǒng)的智能控制單元，控制系統(tǒng)的全自動運(yùn)行；弱電供電單元為整個電源系統(tǒng)提供弱電；人機(jī)接口為系統(tǒng)提供顯示、外接通信接口等人機(jī)交互功倉泛; 系統(tǒng)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(jī)接口連接，進(jìn)行控制命令、參數(shù)的傳輸；系統(tǒng)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(guān)DK連接； 弱電供電單元(500) —端與系統(tǒng)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)0及系統(tǒng)控制單元(400)連接，分別提供±15V，+5V，+3. 3V弱電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池供電回路(200)包括依次相連接的燃料電池控制器(220)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(210)、DC/DC變換單元(230)、DC/DC變換單元(240)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電池供電回路(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(guān)DK、浪涌保護(hù)電阻R及大功率二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述之基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，其特征在于，所述市電供電回路(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(shù)校正APFC單元(110)、隔離0(/1)(變換單元(120)及AC/DC控制單元(130)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)，包括市電供電回路、燃料電池供電回路、蓄電池供電回路、系統(tǒng)控制單元、弱電供電單元和人機(jī)接口。在市電供電正常時，系統(tǒng)控制單元啟動市電供電回路對負(fù)載供電，停止燃料電池供電回路工作，同時蓄電池組充電；在市電停電時，系統(tǒng)控制單元啟動蓄電池供電回路對負(fù)載供電，切斷市電供電回路，啟動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并切換到燃料電池供電回路為負(fù)載供電。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了市電供電回路、燃料電池供電回路無縫切換，保證了負(fù)載在切換過程中連續(xù)供電，并對負(fù)載突變提供功率補(bǔ)償。該電源系統(tǒng)清潔、高效、可靠，適合各種通信設(shè)備使用，能夠長時間、穩(wěn)定的為通信設(shè)備提供電力。
文檔編號H02J9/06GK102810901SQ20121026834
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者游志宇, 陳維榮, 陶詩涌, 戴朝華, 李奇, 郭育華, 盧國濤, 高建龍, 劉志祥, 李艷昆 申請人:西南交通大學(xué)