專利名稱：一種燃料電池能量可控輸出裝置及控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于一種燃料電池能量輸出裝置，具體而言是一種應用于具有高效節(jié)能、清潔環(huán)保、安全性強、可靠性高的燃料電池能量可控輸出裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著不可再生能源的不斷減少，推動新能源的快速發(fā)展已經(jīng)成為當務之急。燃料電池作為一種新能源，清潔環(huán)保，節(jié)能高效，為能源缺乏難題提供了一個非常好的解決方案。燃料電池變換效率高，對環(huán)境的污染幾乎為零，體積小，可以在任何時候和地方方便地使用。然而燃料電池輸出特性很軟，輸出電流越大，輸出電壓也就越低，這樣造成燃料電池輸出電壓過寬，遠遠超出各電器設備正常工作電壓范圍。同時，燃料電池動態(tài)響應能力差。受化學變化的影響，燃料電池自身存在著嚴重的時滯特性，當負載啟停頻繁、瞬時加載等工況下，如果根據(jù)當前燃料供給情況不能輸出滿足負載所需求的功率時，燃料電池發(fā)動機就會處于過載狀況，會造成燃料電池性能的明顯衰減。因此，燃料電池必須配備功率變換器來調(diào)節(jié)、控制和管理能量輸出，以得到符合要求的電能。為滿足燃料電池發(fā)電應用的要求，針對燃料電池發(fā)電的電力電子變換裝置與技術(shù)的研究已成為了一項重要課題。電力變換是燃料電池發(fā)電的重要環(huán)節(jié)，直接關系到整個電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量、安全和可靠性等。目前市場上大部分采用開關電源作為燃料電池承接負載的中間設備，并無單獨適用于燃料電池輸出特性的能量調(diào)節(jié)設備。目前已有的大功率開關電源具有以下缺陷I)輸入范圍窄。目前已有的開關電源裝置輸入范圍很窄，只是允許輸入紋波在一定范圍內(nèi)波動，而燃料電池輸出特性偏軟，輸出范圍隨功率變化有非常大的變換范圍，有的甚至超過3倍的變換，有的輸入輸出關系動態(tài)變化出現(xiàn)又有升壓又有降壓的情形。2)輸出電壓固定。目前已有的開關電源裝置控制方案輸出方式有限，只能按照系列等級固定電壓輸出，用戶不能自主進行隨意改變，更不能進行能量控制，不能根據(jù)用戶需要進行輸出動態(tài)控制。3)轉(zhuǎn)換效率低。大功率電源屬于強電產(chǎn)品，電流大、功率器件發(fā)熱量大，如果電路設計不好，很容易造成器件發(fā)熱厲害，控制策略不當也會嚴重影響電源轉(zhuǎn)換效率，浪費能源。4)控制精度低。目前大功率電源裝置隨輸入干擾及負載變換的影響下，動態(tài)響應能力差，不能準確、快速的控制電源裝置的輸出，微控制器輸出的占空比不穩(wěn)定，控制精度差。5)安全穩(wěn)定性差。大功率電源電流大、電壓高，因此對功率器件的要求都很高，如未采用安全保護電路和軟件控制設計，在使用過程中產(chǎn)生的大電流容易燒壞功率模塊的元器件。盡管大功率電源裝置隨著電子科技的進步已有了長足的發(fā)展，但隨著新能源新設備的出現(xiàn)，仍有不少問題需進一步研究解決，特別是適合于燃料電池特點的新型電力調(diào)節(jié)設備急需研究開發(fā)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種輸入電壓范圍寬，輸出能量可控，高效節(jié)能，運行可靠性高的燃料電池能量可控輸出裝置及控制方法，以克服上述的不足。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種燃料電池能量可控輸出裝置，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，該裝置包括升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊，基于CAN總線的主控制模塊分別與升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、故障診斷與報警模塊相連接，其特點是燃料電池輸出正極(+)通過電流檢測I與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11+相連，燃料電池輸出負極(-)與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11-相連，升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端U10+與降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21+相連，升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端U10-與降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21-相連，燃料電池輸出電能經(jīng)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U20+通過電流檢測2與蓄電池的正極(+)相連，降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U2tr與蓄電池負極㈠相連；同時蓄電池的正極⑴通過電流檢測3與負載正極⑴相連，蓄電池的負極㈠與負載負極㈠相連，蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配。上述方案中，所述基于CAN總線的主控制模塊包括微控制器(MCU)、A/D采樣電路、帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路、CAN總線與RS-485總線接口電路;A/D采樣電路的輸入引腳Iin與電流檢測I的信號輸出相連，輸入引腳Uin與電壓檢測I的信號輸出相連,輸入引腳T1與溫度檢測I的信號輸出相連，輸入引腳T2與溫度檢測2的信號輸出相連,輸入引腳Itjut與電流檢測2的信號輸出相連,輸入引腳Utjut與電壓檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Iltjad與電流檢測3的信號輸出相連，檢測信號經(jīng)A/D采樣后通過SPI接口輸入給MCU處理；MCU的PWM單元輸出弓I腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸入引腳Al、BI相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳Gl與升壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl的集電極、發(fā)射極相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳G2與降壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VT2的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發(fā)射極相連，MCU產(chǎn)生兩路PWM信號，經(jīng)過帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路后同時驅(qū)動升壓調(diào)節(jié)模塊和降壓調(diào)節(jié)模塊；散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停；蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅(qū)動；主控制模塊同時集成CAN總線與RS-485總線接口，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控和故障診斷。上述方案中，所述帶上電保護的驅(qū)動電路包括反相驅(qū)動器、電平幅值轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動模塊及電阻、電容、二極管；微控制器(MCU)輸出引腳PWM1、PWM2與反相驅(qū)動器的輸入引腳AUBl相連，將MCU發(fā)出的DPWM1、DPWM2信號翻轉(zhuǎn)成驅(qū)動信號NPWM1、NPWM2 ;反相驅(qū)動器的使能引腳CS與MCU的I/O引腳相連，反相驅(qū)動器的使能由MCU的I/O引腳輸出IGBTEN信號來控制；反相驅(qū)動器的輸出引腳Xl與電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸入引腳A2相連，反相驅(qū)動器的輸出引腳Yl與電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸入引腳B2相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸出引腳X2與驅(qū)動模塊的輸入引腳INA相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸出引腳Y2與驅(qū)動模塊的輸入引腳INB相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器將VCC標準電平的驅(qū)動信號NPWM1、NPWM2轉(zhuǎn)換成VDDl標準電平的驅(qū)動信 號ZPWM1、ZPWM2 ；MCU的功率保護引腳I3DPINTA連接二極管D3的陽極，同時通過Rl電阻上拉到VCC電源，D3的陰極與驅(qū)動模塊的SO引腳相連，同時通過R2電阻上拉到VDD2電源；IGBT發(fā)生短路故障時，驅(qū)動模塊SO引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，F(xiàn)aultl信號被二極管D3箝位為低電平，MCU檢測到該低電平信號進行故障處理。上述方案中，故障診斷與報警模塊實時監(jiān)測能量可控輸出裝置的狀態(tài)信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經(jīng)由RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器傳送給PC機顯示處理，當該裝置出現(xiàn)故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和故障位置。本發(fā)明還提供了一種燃料電池能量可控輸出裝置的控制方法，所述燃料電池能量可控輸出裝置包括升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊，所述燃料電池輸出特性偏軟的直流電，經(jīng)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；蓄電池與負載并聯(lián)在降壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端，蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配；電流檢測2采樣能量可控輸出裝置的輸出電流1_，電流檢測3采樣負載電流Ilrad，流經(jīng)蓄電池電流Ib由Iltjaa-Iwt計算得出。所述能量可控輸出裝置工作在四種控制模式下，由4組合式PID控制器控制，并在控制模式間無縫切換，使電壓、電流平順過渡電壓控制模式下，主控制模塊接收CAN總線的指令電壓作為參考電壓Uref (k)，與該裝置的輸出電壓值U(k)作比較，差值eu(k)輸入給電壓PID控制器，得到控制增量ADu(k), ADu(k)與原來控制量Du(K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值Du (k)，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出電壓為用戶指令電壓；電流控制模式下，主控制模塊接收CAN總線指令電流作為參考電流IMf (k)，與該裝置的輸出電流值I(k)作比較，差值ei(k)輸入給電流PID控制器，得到控制增量ADiGO,ADiGO與原來控制量Di (K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值DiGO，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出電流為用戶指令電流；功率控制模式下，主控制模塊接收CAN總線指令功率作為參考功率PMf (k)，與裝置實際輸出功率P(k)比較，差值ep(k)輸入給功率PID控制器1，得到控制增量ADp(k)，ADp(k)與原來控制量Dp(K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值DP(k)，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出功率為用戶指令功率；負載功率跟隨模式下，裝置自動跟蹤計算負載功率，并作為參考值與裝
置實際輸出功率P*(k)比較，差值&⑷輸入給功率PID控制器2，得到控制增量ΔΖ);(Α0 ,
ΔΖ^(Α)與原來控制量相加后得到新的脈寬調(diào)制值/^(幻，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出功率為負載需求的功率，從而使蓄電池處于不充電也不放電的狀態(tài)。上述方案中，主控制模塊采用軟啟動算法，在開機啟動和控制模式改變時，升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊的驅(qū)動信號以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，使燃料電池的能量輸出緩慢變化，抑制電壓、電流的突變。上述方案中，故障診斷與報警模塊集成有故障診斷專家系統(tǒng)，根據(jù)電壓、電流、溫度信號采樣信息以及該裝置當前的控制狀態(tài)，實時診斷欠壓、過壓、過流、過溫以及傳感器安裝失靈癥狀，當裝置出現(xiàn)故障時，自動進行功率輸出保護，并顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警。本發(fā)明突破了使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電源裝置限制，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，使用戶 組裝方便，結(jié)構(gòu)改造也變得極其方便、實用；采用兩級變換單元，大大擴大了工作電壓的輸入范圍；采用帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路，保護IGBT模塊在上電情況下及受到外部干擾時的安全穩(wěn)定運行；采用4組合式PID控制器，使電壓、電流、功率都可控制輸出；采用軟啟動、故障診斷與專家系統(tǒng)技術(shù)，增強了裝置的穩(wěn)定性和安全性。本發(fā)明運行狀況可靠、穩(wěn)定。本發(fā)明即可用于燃料電池，也可用于其它電壓輸出范圍很寬的能量設備，適合在各種電力電子領域使用。主控模塊的微控制器(MCU)可以為DSP系列芯片、PIC系列芯片，也可為其它各種單片機控制芯片，均應納入在本發(fā)明的權(quán)利保護范圍內(nèi)。


為了進一步理解本發(fā)明，作為說明書一部分的附圖指示了本發(fā)明的實施例，而所作的說明用于解釋本發(fā)明的原理。圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2為本發(fā)明的帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路原理圖。圖3為本發(fā)明的控制程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但該實施例不應理解為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)如圖I所示，采用模塊化控制結(jié)構(gòu)，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，主要由升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊組成。在本實施例中，該裝置輸出功率可達6KW。升壓調(diào)節(jié)模塊電路原理圖如圖I所示，由升壓斬波電路組成。燃料電池輸出正極(+)通過電流檢測I與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11+相連，燃料電池輸出負極㈠與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11-相連，主控制模塊發(fā)出PWM驅(qū)動信號給升壓調(diào)節(jié)模塊，使燃料電池的輸出電壓升高至一定電壓值。本實施例中，升壓調(diào)節(jié)模塊將燃料電池輸出電壓由29V-76V可升壓至65-76V。降壓調(diào)節(jié)模塊電路原理圖如圖I所示，由降壓斬波電路組成。降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21+與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端U10+相連，降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21-與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端Ultr相連，主控制模塊發(fā)出PWM驅(qū)動信號給降壓調(diào)節(jié)模塊，使燃料電池經(jīng)升壓調(diào)節(jié)模塊升上去的電壓降低至可控電壓值。本實施例中，降壓調(diào)節(jié)模塊將升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓由65-76V降壓至用戶給定電壓值43-58V?；贑AN總線的主控制模塊為能量可控輸出裝置的核心，主要由微控制器(MCU)、A/D采樣電路、帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路、CAN總線與RS-485總線接口電路組成。在本實施例中，MCU為TI公司的電機專用控制DSP芯片TMS320LF2407。A/D采樣電路實時采集輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、負載電流、升壓調(diào)節(jié)模塊溫度以及降壓調(diào)節(jié)模塊溫度信號，經(jīng)濾波后傳給A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過SPI接口輸入給MCU處理。MCU的PWM單元輸出引腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸入引腳Al、BI相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳Gl與升壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl的集電極、發(fā)射極相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳G2與降壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VT2的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發(fā)射極相連，MCU產(chǎn)生兩路PWM信號，經(jīng)過帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路后同時驅(qū)動升壓調(diào)節(jié)模塊和降壓調(diào)節(jié)模塊。散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停。蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅(qū)動，數(shù)碼管分時顯示輸出電壓、輸出電流及輸出功率狀態(tài)信息，并在故障狀態(tài)下顯示故障代碼。CAN總線接口為主控制模塊與用戶之間的控制接口，用戶根據(jù)實際能量需要給出輸出電壓、電流或輸出功率的給定值信號，經(jīng)過CAN總線接口電路后傳送給MCU，作為給定信號參考值。RS-485總線接口可連接控制器或外接RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器后連接PC機，實時提供本發(fā)明裝置的工作狀態(tài)和故障信息，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測和故障診斷。在本實施例中，升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊的功率開關管為IGBT，帶上電保護的驅(qū)動電路如圖2所示，由反相驅(qū)動器、電平幅值轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動模塊及電阻、電容、二極管組成，保障IGBT在初始系統(tǒng)上電狀態(tài)下的安全關閉。反相驅(qū)動器接收來自MCU輸出的DPWMl、DPWM2信號并將該信號翻轉(zhuǎn)成驅(qū)動信號NPWMl、NPWM2,反相驅(qū)動器的使能端由MCU輸出的IGBTEN信號來控制，電平幅值轉(zhuǎn)換器將VCC標準電平的驅(qū)動信號NPWM1、NPWM2轉(zhuǎn)換成VDDl標準電平的信號ZPWM1、ZPWM2輸入給驅(qū)動模塊。本實施例中VCC電平為3. 3V，VDDl電平為5V，電平幅值轉(zhuǎn)換器為744245系列芯片，驅(qū)動模塊為2SC0435T。如VCC電平為5V標準電平，則可不需要電平幅值轉(zhuǎn)換器。一旦IGBT短路故障發(fā)生，驅(qū)動模塊SO引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，F(xiàn)aultl信號被二極管D3箝位為低電平，輸出給MCU的外部中斷引腳PDPINT,由MCU內(nèi)嵌軟件進行故障處理程序。蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配。蓄電池的正極(+)與降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U2J通過電流檢測2相連，蓄電池負極㈠與降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U20-相連，電流檢測2采樣能量可控輸出裝置的輸出電流U。同時蓄電池的正極⑴通過電流檢測3與負載正極⑴相連，蓄電池的負極㈠與負載負極㈠相連，電流檢測3采樣負載電流Iltjad，流經(jīng)蓄電池電流 Ib 由 Iload Iout計算得出。在本實施例中，Uin-、un-、u1Q-、u2I-、U2^Utjut-在電氣連接上實為同一參考點“地”。當Ilrad-U > O時，燃料電池和蓄電池同時放電，兩者能量釋放的多少由用戶通過控制能量可控輸出裝置的輸出來分配，本實施例中，通過電流模式或者電壓模式或者功率控制模式來實現(xiàn)。當ι Μ(τ _ = ο時,蓄電池處于不充不放的狀態(tài),這時候負載所需能量全部由燃料電池來提供，能量可控輸出裝置也即工作在負載功率跟隨模式下；當I1--U < O時，燃料電池除提供負載所需能量外，還向蓄電池充電，充電多少及充電方式由用戶根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)來決定，本實施例中既可以采用電壓控制模式進行恒壓充電，也可采用電流控制模式恒流充電。能量可控輸出裝置工作在四種控制模式下，由4組合式PID控制器控制，并在控制模式間無縫切換，使電壓、電流平順過渡。在電壓控制模式下，主控制模塊通過CAN總線接收用戶電壓指令并同時控制升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使輸出電壓為用戶指令電壓。電壓控制程序流程圖如圖3所示。將用戶發(fā)出的指令電壓值作為參考電壓值Uref (k)，與該裝置輸出的實際電壓值U(k)比較，得到差值eu(k) = U(k)-Urrf(k)，經(jīng)過電壓PID控制器后得到 PWM 目號的增量值 ADu(k) = kup[eu(k)_eu(k_l) ]+kuieu(k)+kud[eu(k)_2eu(k_l)+eu(k-2)],其中eu(k-l)為上一次計算的差值，eu(k_2)為前2次計算的差值，比例常數(shù)kup、積分常數(shù)kui以及微分常數(shù)kud由仿真計算與實際調(diào)試實驗聯(lián)合得到，且不為定值，隨著輸入電壓的改變，kup、kui與kud也隨之改變。MCU計算出PWM信號新的脈寬值Du(k)=Du(k-1) + ADu(k)，產(chǎn)生新的P麗信號經(jīng)驅(qū)動電路后同時調(diào)節(jié)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使該裝置的輸出電壓為用戶指令電壓。在電流控制模式下，主控制模塊通過CAN總線接收用戶電流指令并同時控制升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使燃料電池輸出電流為用戶指令電流，能量可控輸出裝置輸出電壓此時為蓄電池電壓。電流控制程序流程圖如圖3所示。將用戶發(fā)出的指令電流值作為參考電流值U(k)，與該裝置輸出的實際電流值I(k)比較，得到差值ei(k)=I (k) -Iref (k)，經(jīng)過電流PID控制器后得到PWM信號的增量值Δ Di (k) = kip Lei (k) -ej (k_l) ] +I^ei (k) +kid Lei (k) -2et (k_l) +ej (k_2)]，其中ejk-l)為上一次計算的差值，ei (k-2)為前2次計算的差值，比例常數(shù)kip、積分常數(shù)U及微分常數(shù)kid由仿真計算與實際調(diào)試實驗聯(lián)合得到，且不為定值，隨著輸出電流的改變，kip、kn及kid也隨之改變。MCU計算出PWM信號新的脈寬值DiGO =Di (k-1) + ADi (k)，產(chǎn)生新的P麗信號經(jīng)驅(qū)動電路后同時調(diào)節(jié)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使該裝置的輸出電流為用戶指令電流。功率控制模式下，主控制模塊通過CAN總線接收用戶給定功率指令并同時控制升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使燃料電池輸出功率為用戶指令功率。若燃料電池輸出功率小于負載所需功率，則不足功率由蓄電池提供，若燃料電池輸出功率大于負載所需功率，則多余功率注入蓄電池。功率控制模式下采用以用戶給定功率值PMf (k)為參考值，裝置輸出電壓電流的乘積P(k)為反饋值的閉環(huán)PID控制，如圖3所示，兩者的差值送與功率PID控制器1，產(chǎn)生控制增量信號Λ Dp (k)，MCU計算出PWM信號新的脈寬值Dp (k) = Dp (k-Ι) + Δ Dp (k),產(chǎn)生新的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后同時調(diào)節(jié)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使該裝置的輸出功率為用戶指令功率。在負載功率跟隨模式下，能量可控輸出裝置自適應跟蹤計算負載功率，使燃料電池的輸出功率為負載需求功率，蓄電池處于不充電也不放電的狀態(tài)。負載功率跟隨模式下采用以電壓電流乘積為反饋的閉環(huán)PID控制，如圖3所示。功率給定值為負載端檢測的電壓與電流的乘積(幻，此值是動態(tài)變化的，反饋值為裝置輸出的電壓與電流的乘積Z(A:)，
與P*(k)的差值送與功率PID控制器2，產(chǎn)生控制增量信號MCU計算出PWM信號新的脈寬值，產(chǎn)生新的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后同時調(diào)節(jié)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊，使該裝置的輸出功率跟隨負載的功率變化。四種控制模式間采用無縫切換技術(shù)，模式間改變時以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，使切換平順過渡。主控模塊采用軟啟動算法同時控制升壓調(diào)節(jié)模塊和降壓調(diào)節(jié)模塊。在開機啟動和控制模式改變時，升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊的驅(qū)動信號以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，使燃料電池的能量輸出緩慢變化，抑制電壓、電流的突變。
故障診斷與報警模塊由蜂鳴器、LED、PC機監(jiān)控系統(tǒng)組成。主控制模塊實時采集電壓、電流及溫度等能量可控輸出裝置的狀態(tài)信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經(jīng)由RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器傳送給PC機處理，主控制模塊與PC機監(jiān)控系統(tǒng)都能實時診斷欠壓、過壓、過流、過溫以及傳感器安裝失靈癥狀，當該裝置出現(xiàn)故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和位置。最后應說明，本發(fā)明的實施僅用于說明技術(shù)方案而非限制。一切不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍的修改和替換，均應納入在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池能量可控輸出裝置，包括升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊，基于CAN總線的主控制模塊分別與升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、故障診斷與報警模塊相連接，其特征在于燃料電池輸出正極通過電流檢測I與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11+相連，燃料電池輸出負極與升壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U11-相連，升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端Uw+與降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21+相連，升壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端U10-與降壓調(diào)節(jié)模塊的輸入端U21-相連，燃料電池輸出電能經(jīng)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U20+通過電流檢測2與蓄電池的正極相連，降壓調(diào)節(jié)模塊輸出端U2tr與蓄電池負極相連；同時蓄電池的正極通過電流檢測3與負載正極相連，蓄電池的負極與負載負極相連。
2.如權(quán)利要求I所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于所述基于CAN總線的主控制模塊包括微控制器MCU、A/D采樣電路、帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路、CAN總線與RS-485總線接口電路；A/D采樣電路的輸入引腳Iin與電流檢測I的信號輸出相連，輸入引腳Uin與電壓檢測I的信號輸出相連,輸入引腳T1與溫度檢測I的信號輸出相連，輸入引腳T2與溫度檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Imrt與電流檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Urat與電壓檢測2的信號輸出相連,輸入引腳Iltjad與電流檢測3的信號輸出相連，檢測信號經(jīng)A/D采樣后通過SPI接口輸入給MCU處理；MCU的PWM單元輸出引腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸入引腳Al、BI相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳Gl與升壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl的集電極、發(fā)射極相連，帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路的輸出引腳G2與降壓調(diào)節(jié)模塊的功率管VT2的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發(fā)射極相連，MCU產(chǎn)生兩路PWM信號；經(jīng)過帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路后同時驅(qū)動升壓調(diào)節(jié)模塊和降壓調(diào)節(jié)模塊；散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停；蜂鳴器與數(shù)碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅(qū)動；主控制模塊同時集成CAN總線與RS-485總線接口，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控和故障診斷。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于所述帶上電保護的驅(qū)動電路包括反相驅(qū)動器、電平幅值轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動模塊及電阻、電容、二極管；微控制器(MCU)輸出引腳PWM1、PWM2與反相驅(qū)動器的輸入引腳Al、BI相連，將MCU發(fā)出的DPWM1、DPWM2信號翻轉(zhuǎn)成驅(qū)動信號NPWMl、NPWM2 ;反相驅(qū)動器的使能引腳CS與MCU的I/O引腳相連，反相驅(qū)動器的使能由MCU的I/O引腳輸出IGBTEN信號來控制；反相驅(qū)動器的輸出引腳Xl與電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸入引腳A2相連，反相驅(qū)動器的輸出引腳Yl與電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸入引腳B2相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸出引腳X2與驅(qū)動模塊的輸入引腳INA相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器的輸出引腳Y2與驅(qū)動模塊的輸入引腳INB相連，電平幅值轉(zhuǎn)換器將VCC標準電平的驅(qū)動信號NPWM1、NPWM2轉(zhuǎn)換成VDDl標準電平的驅(qū)動信號ZPWM1、ZPWM2 ；MCU的功率保護引腳ToPINTA連接二極管D3的陽極，同時通過Rl電阻上拉到VCC電源，D3的陰極與驅(qū)動模塊的SO引腳相連，同時通過R2電阻上拉到VDD2電源；IGBT發(fā)生短路故障時，驅(qū)動模塊SO引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，F(xiàn)aultl信號被二極管D3箝位為低電平，MCU檢測到該低電平信號進行故障處理。
4.如權(quán)利要求I所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于故障診斷與報警模塊實時監(jiān)測能量可控輸出裝置的狀態(tài)信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經(jīng)由RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器傳送給PC機顯示處理，當該裝置出現(xiàn)故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和故障位置。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其控制方法為所述燃料電池輸出特性偏軟的直流電，經(jīng)升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；蓄電池與負載并聯(lián)在降壓調(diào)節(jié)模塊的輸出端，蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配；電流檢測2采樣能量可控輸出裝置的輸出電流Iwt，電流檢測3采樣負載電流IlMd，流經(jīng)蓄電池電流Ib由ilMd-iwt計算得出，所述能量可控輸出裝置工作在四種控制模式下，由4組合式PID控制器控制，并在控制模式間無縫切換，使電壓、電流平順過電壓控制模式下，主控制模塊接收CAN總線的指令電壓作為參考電壓UMf (k)，與該裝置的輸出電壓值U(k)作比較，差值eu(k)輸入給電壓PID控制器，得到控制增量ADu(k),ADu(k)與原來控制量Du(K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值Du(k)，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出電壓為用戶指令電壓；電流控制模式下，主控制模塊接收CAN總線指令電流作為參考電流IMf (k)，與該裝置的輸出電流值I (k)作比較，差值ejk)輸入給電流PID控制器，得到控制增量ADiGO,ADiGO與原來控制量Di (K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值DiGO，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出電流為用戶指令電流；功率控制模式下，主控制模塊接收CAN總線指令功率作為參考功率PMf (k)，與裝置實際輸出功率P (k)比較，差值ep(k)輸入給功率PID控制器I，得到控制增量ADp(k)，ADP(k)與原來控制量Dp(K-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值Dp(k)，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出功率為用戶指令功率；負載功率跟隨模式下，裝置自動跟蹤計算負載功率，并作為參考值與裝置實際輸出功率P*(k)比較，差值<(幻輸入給功率PID控制器2，得到控制增量AX);㈨AD;(k)與原來控制量(夂-I)相加后得到新的脈寬調(diào)制值0;(幻，經(jīng)驅(qū)動電路后控制該裝置的輸出功率為負載需求的功率，從而使蓄電池處于不充電也不放電的狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池能量可控輸出裝置的控制方法，其特征在于主控制模塊采用軟啟動算法，在開機啟動和控制模式改變時，升壓調(diào)節(jié)模塊與降壓調(diào)節(jié)模塊的驅(qū)動信號以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，使燃料電池的能量輸出緩慢變化，抑制電壓、電流的突變。
7.如權(quán)利要求5所述的燃料電池能量可控輸出裝置的控制方法，其特征在于故障診斷與報警模塊集成有故障診斷專家系統(tǒng)，根據(jù)電壓、電流、溫度信號采樣信息以及該裝置當前的控制狀態(tài)，實時診斷欠壓、過壓、過流、過溫以及傳感器安裝失靈癥狀，當裝置出現(xiàn)故障時，自動進行功率輸出保護，并顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池能量可控輸出裝置及控制方法，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，燃料電池能量可控輸出裝置包括升壓調(diào)節(jié)模塊、降壓調(diào)節(jié)模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊。本發(fā)明采用2級變換技術(shù)，輸入電壓承受范圍寬，輸出電壓、電流、功率均可控，并可自動跟隨負載功率輸出能量。所述裝置設計了帶上電保護的IGBT驅(qū)動電路、故障診斷與報警模塊，增強了裝置工作的安全性。采用軟啟動控制和4組合式PID控制算法，增加了裝置工作的精確性與穩(wěn)定性。該能量可控輸出裝置轉(zhuǎn)換效率高，既可用于燃料電池，也可用于其它電壓輸出范圍很寬的能量設備，適合在各種電力電子領域使用。
文檔編號H01M8/04GK102916205SQ20111022362
公開日2013年2月6日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者全琎, 黃亮, 張銳明, 全書海, 熊熒 申請人:全琎