來源：維庫開發(fā)網(wǎng)

人們對便攜式產(chǎn)品更長運行時間的追求，促使燃料電池逐漸成為終端設備領域的新型電源。但是，在便攜式應用中“只采用燃料電池”仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。一種解決方法就是采用混合電源。

將燃料電池與蓄電池、超級電容或其他電能儲存裝置集成在一起構成混合電源，能夠解決很多動態(tài)供電與發(fā)熱的問題。但是，這種方案本身也具有電源管理方面的問題。

混合電源

在本文所討論的電源架構中，我們稱燃料電池與蓄電池的組合結構為混合(電源)系統(tǒng)。這種架構廣泛應用于多種燃料電池和蓄電池，并取代了諸如超電容或超級電容之類的儲電裝置。但是，每種混合電源實現(xiàn)方案都是經(jīng)過專門設計的，以滿足所選擇的燃料電池和蓄電池的需求。

混合電源系統(tǒng)主要的組件包括燃料電池、燃料盒、蓄電池、系統(tǒng)負荷、直流輸入電源和電源控制器(見圖1)。燃料電池與蓄電池的結合稱為混合電源(HPS)。

上述系統(tǒng)在使用的不同階段，能夠用做三種能源和兩種負載。當該系統(tǒng)沒有插接直流電源時，燃料電池和/或蓄電池的組合結構能夠為系統(tǒng)負載供電。另外，當直流電源不存在時，燃料電池還能夠對蓄電池進行充電，以盡可能地增強電源斷電末期(end-of-powr-shutdown)的性能，或者實現(xiàn)更好的系統(tǒng)動態(tài)電源響應特性。當直流電源可用時，它既對蓄電池進行充電也對系統(tǒng)負載進行供電。

對于這種復雜的結構，我們必須對系統(tǒng)的電源通路管理進行精確控制，以確保系統(tǒng)負載的運行總是能夠滿足終端用戶的使用要求。關鍵的控制時機是當可用的電量降低到一定的水平時，這時電源無法再為系統(tǒng)負載供電，導致了受限的使用配置，甚至執(zhí)行了受控的關機操作。

為了實現(xiàn)這種精確的控制，電源控制器必須能夠檢測多種因素以產(chǎn)生有效電量和總有效電量峰值等關鍵數(shù)據(jù)。這些關鍵數(shù)據(jù)的定義如下：有效電量峰值定義為混合電源在一定的短期時間內(nèi)能夠提供的電量，例如DVD機啟動或關機時光盤操作所需的電量。峰值周期取決于終端設備的負載分布特征。總有效電量定義為混合電源能夠提供的總電量，它與放電比率無關。

圖1 采用混合電源的電源系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)測

利用目前市場上供應的標準燃料計可以對蓄電池進行監(jiān)測，例如使用bq20z75監(jiān)測兩組、三組或四組串聯(lián)結構的鋰離子電池，或者使用bq27210監(jiān)測單組串聯(lián)的鋰電池。這些監(jiān)測方案能夠為電源控制器提供所需的電壓、電流、溫度、電荷狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)通過I2C、SMBus或HDQ之類的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)與電源控制器連接。通過這種接口方式，電源控制器能夠獲得非常精確的電池電荷狀態(tài)(SOC)，以確保在充放電的過程中都能夠安全使用電池。

對燃料電池和燃料盒的監(jiān)測更具挑戰(zhàn)性。燃料盒內(nèi)可用燃料的種類和數(shù)量，以及燃料電池的當前與平均效率都是監(jiān)測燃料電池有效電量需要考慮的因素。

在很多情況下，燃料盒是系統(tǒng)的裝置，因此燃料的類型數(shù)據(jù)可以保存在電源控制器中。在其他一些電池監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案中，我們需要提供存儲在燃料盒內(nèi)燃料的數(shù)據(jù)，并通過類似的接口總線傳給電源控制器。

具有數(shù)據(jù)存儲功能的燃料盒實現(xiàn)方案中，方法是通過電源控制器或者燃料加注系統(tǒng)將測量出的剩余燃料數(shù)據(jù)寫回到燃料盒中。但是這種方法可能只適用于燃料盒能夠取出并重新插入的電源系統(tǒng)。

除了燃料盒的燃料數(shù)據(jù)之外，對于燃料電池還需要監(jiān)測其他一些參數(shù)，包括溫度、燃料注入速率、輸出電壓和輸出電流。這些參數(shù)用于計算燃料電池的當前效率。比如，通過溫度參數(shù)可以判斷出燃料電池當前是否處于工作狀態(tài)。

此外，我們還需要測量直流電源和系統(tǒng)的負載功率等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)以及來自于監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，我們就可以計算出總有效電量和峰值有效電量的值。終端設備的有效運行時間取決于這四個因素。

在分析電源斷電末期的特性時，燃料電池功率輸出的響應能力和蓄電池的尺寸也會帶來新的問題。這需要進一步了解有關知識。