便携式PEMFC移动电源系统的设计与实现

发布时间：2017-08-23 05:19

  本文关键词：便携式PEMFC移动电源系统的设计与实现

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【摘要】：随着经济和社会的发展,能源需求和供应之间的鸿沟日益明显,同时,化石燃料引起的生态环境恶化也对人类社会的可持续发展造成极大的挑战。目前,能源工业存在明显的弊端,化石能源的化学能必须转化为热能后才能进一步转化为机械能或电能,转化效率受卡诺循环限制,仅为33%～35%。这个过程中,同时还会产生大量的废水、废气、废渣以及噪声,大规模的污染问题仍然没有得到有效解决。燃料电池(Fuel Cell, FC)技术的出现为人类能源利用方式带来了新的契机。燃料电池是一种将储存在燃料中的能量通过电化学反应直接转化为电能的装置。它不受卡诺循环限制,能量转化效率高(40%～60%),环境友好,氢燃料电池的排放物只有水。只要有足够的燃料和氧气,它可以长时间连续稳定运行,具有广阔的发展前景。在众多类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEFMC)具有工作温度低、能量转换效率高(60%)、无有害排放物质和易于操作等优点而受到人们的青睐,日益得到各国政府、研究机构和企业的重视。PEMFC越来越多的被应用于交通、军事、航天以及便携式移动电源等领域。本文对新加坡淡马锡理工学院自主研发的PEMFC进行了一系列的相关研究。实验研究了影响PEMFC工况的两个最重要因素：排水周期和温度控制。排水周期实验表明,PEMFC排水周期选择需依工作负载而定。排水频率过低,PEMFC阳极积水不能及时排出,容易造成部分电池“水淹”,影响单电池电压的平行性以及表面温度分布的均匀性；排水频率过高,阳极氢气利用率低,造成燃料的浪费。温度控制影响实验表明,温度控制可以使PEMFC具备更好的抗负载扰动能力。负载变化时表面温度变化幅度小,有助于燃料电池寿命的延长,但温度控制并不能有效地提高PEMFC输出功率。这些PEMFC相关的实验研究为下一步便携式移动电源制作提供了实验依据,并且在控制系统和辅助系统设计方面也具有指导意义。本文设计和实现了基于PEMFC的便携式移动电源,主要包括硬件设计和软件设计。硬件设计方面,有PEMFC控制电路设计,DC-DC电路设计以及基于充电芯片MAX1870 A的充电电路设计。软件设计方面,以PIC单片机作为微控制器,实现PEMFC系统的启停设计,保护设计以及双锂电池切换设计。样机测试实验表明,本便携式PEMFC移动电源系统运行可靠,输出电能平稳。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 排水周期 温度控制 表面温度分布 双锂离子电池切换策略
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 燃料电池的研究背景与意义11-12
• 1.2 便携式燃料电池的发展简介及国内外研究现状12-14
• 1.2.1 便携式燃料电池发展简介12-13
• 1.2.2 国内外研究现状13-14
• 1.3 本论文研究意义及研究内容14-16
• 第2章 燃料电池概述16-22
• 2.1 PEMFC原理概述16-17
• 2.2 PEMFC分类17-18
• 2.2.1 自增湿型PEMFC17-18
• 2.2.2 阴极开放式PEMFC18
• 2.3 PMEFC相关工作特性18-21
• 2.3.1 PEMFC水管理18-19
• 2.3.2 PEMFC操作压力19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 燃料电池实验分析22-36
• 3.1 燃料电池排水周期参数整定实验22-30
• 3.1.1 实验设备及系统22-25
• 3.1.2 实验测试方案25-26
• 3.1.3 实验结果与讨论26-29
• 3.1.3.1 单电池电压分布分析26-29
• 3.1.3.2 表面温度分布分析29
• 3.1.4 结论29-30
• 3.2 燃料电池温度控制影响实验30-35
• 3.2.1 实验设备及系统30-31
• 3.2.2 实验测试方案31
• 3.2.3 实验结果与讨论31-35
• 3.2.3.1 温度分布分析31-34
• 3.2.3.2 PEMFC功率输出分析34-35
• 3.2.4 结论35
• 3.3 本章小结35-36
• 第4章 便携式燃料电池系统设计36-52
• 4.1 便携式PEMFC系统硬件设计36-44
• 4.1.1 PIC微控制器概述36-37
• 4.1.2 PEMFC控制系统设计37-40
• 4.1.2.1 温度控制系统37-38
• 4.1.2.2 短路控制系统38-40
• 4.1.2.3 排气控制系统40
• 4.1.3 双锂离子电池单元设计40-42
• 4.1.3.1 锂离子电池概述40-41
• 4.1.3.2 双锂离子电池切换设计41-42
• 4.1.4 燃料棒单元设计42-43
• 4.1.5 功率变换单元设计43-44
• 4.2 便携式PEMFC系统软件设计44-50
• 4.2.1 燃料电池启停设计44-46
• 4.2.2 保护设计46-48
• 4.2.2.1 过温保护47
• 4.2.2.2 过气压、欠气压保护47-48
• 4.2.4 锂离子电池SOC测定48-49
• 4.2.5 双锂离子电池切换策略49-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第5章 便携式燃料电池系统功能测试52-61
• 5.1 PCB板温度处理与测试52-54
• 5.2 便携式PEMFC充电系统功能测试54-58
• 5.3 系统带负载功能测试58-60
• 5.4 本章小结60-61
• 结论与展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 附录1：主控电路原理图67-68
• 附录2：PIC部分重要程序68-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文76

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本文编号：723210