CN100345362C - 燃料电池dc/dc变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，输入欠压PI调节电路接收DC/DC变换器的输入电压信号(U_in)和输入欠压给定信号(U_ing)，输出恒压PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电压反馈信号(U_f)和输出恒压给定信号(U_g)，输出恒流PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电流反馈信号(I_f)和输出恒流给定信号(I_g)。本发明的特性控制电路对接收的输入欠压控制调节信号(e_Uin)、输出恒压控制调节信号(e_u)和输出恒流控制调节信号(e_i)进行电压比较，比较得到复合特性输出信号^e＝min{e_Uin，e_u，e_i}，并将复合特性输出信号(^e)输出给PWM脉冲发生电路。在本发明中将输入欠压特性、输出恒压特性、输出恒流特性进行复合控制使之满足燃料电池车对DC/DC变换器的不同的输出特性，适应于不同燃料电池车的动力系统构型。

Description

燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器的控制电路中输入输出特性控制，具体地说，是指一种通过输入输出特性软切换进行控制燃料电池中DC/DC变换器输入输出特性的切换控制电路。

背景技术

近年来，随着人们对生存环境和自然能源的日益重视，燃料电池汽车以其高效节能和排放无污染的性能，使之成为当今世界汽车领域开发的热点。

为燃料电池汽车提供动力源的是燃料电池，但是由于它的电气输出特性较软并且可控性差，需要DC/DC变换器对其进行功率变换与传递，以实现对输出电压和电流的控制，作为燃料电池汽车的关键零部件之一，DC/DC变换器受燃料电池汽车整车控制器的控制。燃料电池典型的输出特性曲线如图1所示。

由图1可以看出，燃料电池的输出电压随着输出电流(负载)的增加逐渐降低，当输出电压降低到一定程度时，此时若进一步增大燃料电池的输出功率(电流)，则有可能使燃料电池超过其使用极限。因此，需要对燃料电池的输出电压进行阈值控制以保护燃料电池的安全使用，而燃料电池的输出电压正是DC/DC变换器的输入电压，也就是应对DC/DC变换器的输入特性进行控制。

结合燃料电池车的能量流动要求和燃料电池的特点，要求DC/DC变换器的输入输出具有以下特性：

(1)输入欠压控制

DC/DC变换器的欠压输入，对输入电压进行闭环控制，当燃料电池输出电压低于某一阈值，对其进行欠压保护，输入电压阈值可以设定；

(2)输出恒压控制

DC/DC变换器的恒压输出，对输出电压进行闭环控制，输出值由整车控制器来控制，并且可以实时调节输出电压大小；

(3)输出恒流控制

DC/DC变换器的恒流输出，对输出电流进行闭环控制，输出值由整车控制器来控制，并且可以实时调节输出电流大小。

常规DC/DC变换器只对输出特性进行控制，比如输出恒压或者输出恒流，一般不涉及对输入特性的控制。

由前所述，燃料电池DC/DC变换器具有输出恒压、输出恒流、输入欠压三种特性控制方式。在实际应用中，输入输出特性应满足如下的控制逻辑：

(1)输入特性

不论DC/DC的输出处于何种模式，一旦其输入电压降至某一设定值时，则此时必须对DC/DC的输出功率大小进行限制，使其输入电压不低于该设定值。

(2)输出特性

在输入电压不低于设定的输入电压给定值U_ing的前提下，此时的输出特性应具有如图2所示的恒压恒流矩形特性。

应用自控原理，上述欠压、恒压、恒流控制方式均可由闭环负反馈来实现。由于燃料电池工作在较为复杂的状态下，它的输出电压不断波动，也就是DC/DC变换器的输入电压也在不断变化，这样就需要变换器实时对输入电压进行控制。同时，变换器也会根据负载的不同在输出恒压和输出恒流模式下相互切换，因此DC/DC变换器需要解决三种不同特性下的复合与自动切换。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，该复合输入输出特性控制电路将三种特性(输入欠压特性、输出恒压特性、输出恒流特性)复合在一起，实现燃料电池输出电压的阈值控制，使燃料电池得到安全使用；得到DC/DC变换器的恒压、恒流输出特性；根据DC/DC变换器的输入电压和输出负载的状况，对DC/DC变换器的输入输出特性进行自动切换的控制技术。

本发明是一种燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，由输入输出特性控制电路及复合切换电路和PWM脉冲发生电路构成复合输入输出特性控制电路，所述输入输出特性控制电路由输入欠压PI调节电路、输出恒压PI调节电路和输出恒流PI调节电路构成，所述输入欠压PI调节电路接收DC/DC变换器的输入电压信号U_in和输入欠压给定信号U_ing，并对接收的信号进行PI调节得到输入欠压控制调节信号e_Uin；所述输出恒压PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电压反馈信号U_f和输出恒压给定信号U_g，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒压控制调节信号e_u；所述输出恒流PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电流反馈信号I_f和输出恒流给定信号I_g，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒流控制调节信号e_i；所述复合切换电路对接收的输入欠压控制调节信号e_Uin、输出恒压控制调节信号e_u和输出恒流控制调节信号e_i进行电压比较，比较得到复合特性输出信号e＝min{e_Uin，e_u，e_i}，并将复合特性输出信号 e输出给PWM脉冲发生电路。

本发明的优点：(1)将输入欠压特性、输出恒压特性、输出恒流特性进行复合控制；(2)三种特性的复合控制满足了燃料电池车对DC/DC变换器的不同的输出特性，适应于不同燃料电池车的动力系统构型；(3)对燃料电池输出电压的阈值控制，保护燃料电池的安全使用；(4)利用的元器件少，造价成本低廉。

附图说明

图1是燃料电池的输出特性曲线。

图2是DC/DC变换器的矩形输出特性图。

图3是本发明复合输入输出特性控制电路的结构框图。

图4是本发明复合输入输出特性控制电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：由输入输出特性控制电路及复合切换电路和PWM脉冲发生电路构成复合输入输出特性控制电路，所述输入输出特性控制电路由输入欠压PI调节电路、输出恒压PI调节电路和输出恒流PI调节电路构成，所述输入欠压PI调节电路接收DC/DC变换器的输入电压信号U_in和输入欠压给定信号U_ing，并对接收的信号进行PI调节得到输入欠压控制调节信号e_Uin；所述输出恒压PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电压反馈信号U_f和输出恒压给定信号U_g，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒压控制调节信号e_u；所述输出恒流PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电流反馈信号I_f和输出恒流给定信号I_g，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒流控制调节信号e_i；所述复合切换电路对接收的输入欠压控制调节信号e_Uin、输出恒压控制调节信号e_u和输出恒流控制调节信号e_i进行电压比较，比较得到复合特性输出信号 e＝min{e_Uin，e_u，e_i}，并将复合特性输出信号 e输出给PWM脉冲发生电路。

请参见图3所示，U_in为DC/DC变换器的输入电压信号，U_f为DC/DC变换器的输出电压反馈信号，I_f为DC/DC变换器的输出电流反馈信号，这三个信号由变换器根据输入输出检测得到；Uing为输入欠压给定信号，U_g为输出恒压给定信号，I_g为输出恒流给定信号，这三个信号由燃料电池车的整车控制器给出或者预先设定。输入欠压控制调节信号e_Uin为输入欠压给定信号Uing和输入电压信号U_in经输入欠压PI调节模块调节后得到的值，输出恒压控制调节信号e_u为输出电压Ug和输出电压反馈信号U_f经输出恒压PI调节模块调节后得到的值，输出恒流控制调节信号e_i为输出恒流给定信号Ig和输出电流反馈信号I_f经输出恒流PI调节模块调节后得到的值，e_Uin、e_u和e_i分别为三路闭环PI(比例积分)控制调节后得到的调节值，这三个调节值经过复合自动切换电路，得到具有三路特性信号之一的复合特性输出信号 e，设二极管D₃、二极管D₄和二极管D₅导通时的压降为V_D，则复合特性输出信号 $\stackrel{\‾}{e}=V_D+\min \{e_{u_{\mathrm{in}}},e_u,e_i\},$ 由复合特性输出信号 e对PWM电路进行脉宽调制控制，这样就把三种特性控制模式通过上述环节复合在一起，并且随着输入输出状态的变化不断地自动变化输入输出特性，从而实现DC/DC变换器工作在不同的输入输出特性模式下，不同模式之间可以自适应相互切换。例如，当 $e_{U_{\mathrm{in}}}=2V,$ e_u＝2.5V、e_i＝3V时，其中输入欠压控制调节信号e_Uin最小，则 $\stackrel{\‾}{e}=V_D+\min \{e_{u_{\mathrm{in}}},e_u,e_i\}+V_D+2,$ 这时输入输出特性为输入欠压特性；当 $e_{U_{\mathrm{in}}}=3V,$ e_u＝2.5V、e_i＝2V时，其中输出恒流控制调节信号e_i最小，则 $\stackrel{\‾}{e}=V_D+\min \{e_{u_{\mathrm{in}}},e_u,e_i\}=V_D+2,$ 这时输入输出特性为输出恒流特性，以此类推。

请参见图4所示，在本发明中的复合输入输出特性控制电路由PWM专用芯片U1可以选取SG1525或者SG2525或者SG3525，双极性集成运放电路选取九片TL084芯片，二极管D1～D5，电阻R1～R33，C1～C10等器件组成，从功能上可以分成两部分：输入输出特性控制电路及复合切换电路和PWM脉冲发生电路。输入输出特性控制电路由输入欠压PI调节电路、输出恒压PI调节电路、输出恒流PI调节电路三个模块电路组成，复合自动切换电路由隔离射随电路和二极管D3～D5组成。输入电压信号Uin和输入欠压给定信号Uing通过PI调节电路后，经运放U2D隔离射随，接在二极管D3的阴极上，为输入欠压控制调节信号e_Uin；输出电压反馈信号U_f和输出恒压给定信号Ug通过PI调节电路后，经运放U3D隔离射随，接在二极管D4的阴极上，为输出恒压控制调节信号e_u；输出电流反馈信号I_f和输出恒流给定信号Ig通过PI调节电路后，经运放U4D隔离射随，接在二极管D5的阴极上，为输出恒流控制调节信号e_i。这三路调节信号代表三种输入输出特性控制，通过二极管D3、二极管D4和二极管D5把要控制的三种特性复合在一起。由二极管D3、二极管D4和二极管D5组成的复合切换电路自动选择最低的调节值，即输出最低调节值的那一路闭环控制回路导通，实现对该时刻应被控制的特性的闭环控制，在任何时刻均能根据输入输出的状态自动切换至所需的输入输出闭环控制回路，从而实现输入欠压、输出恒压、输出恒流特性之间的自动切换与控制。不同的 e对应不同占空比的脉冲，作为DC/DC变换器的主功率器件的开关信号，进行不同输入输出特性的调节。复合输入输出特性控制电路的各端子连接关系如下：DC/DC变换器的输入电压反馈信号Uin连接电阻R8和电阻R10，电阻R8输出端接在运放芯片U2B的第6脚，运放芯片U2BU2的第6脚串联电阻R13接在运放芯片U2B芯片U2的第7脚，电阻R10输出端接在运放芯片U2C的第9脚，运放芯片U2CU2的第9脚串联电容C8接在运放芯片U2C芯片U2的第8脚，DC/DC变换器的输入电压给定信号Uing连接电阻R9和电阻R11，电阻R9的输出端接在运放芯片U2B的第6脚，电阻R11的输出端接在运放芯片U2C的第9脚，电阻R7接在运放芯片U2B的第5脚和信号地之间，电阻R12接在运放芯片U2C的第10脚和信号地之间，运放芯片U2B的第7脚连接电阻R14，运放芯片U2C的第8脚连接电阻R15，电阻R14和电阻R15的输出端连接在一起，共同接在运放芯片U2D的第12脚上。

DC/DC变换器的输出电压反馈信号Uf连接电阻R17和电阻R19，电阻R17输出端接在运放芯片U3B的第6脚，运放芯片U3BU3的第6脚串联电阻R22接在运放芯片U3B芯片U3的第7脚，电阻R19输出端接在运放芯片U3C的第9脚，运放芯片U3CU3的第9脚串联电容C9接在运放芯片U3C芯片U3的第8脚，DC/DC变换器的输出电压给定信号Ug连接电阻R18和电阻R20，电阻R18的输出端接在运放芯片U3B的第6脚，电阻R20的输出端接在运放芯片U3C的第9脚，电阻R16接在运放芯片U3B的第5脚和信号地之间，电阻R21接在运放芯片U3C的第10脚和信号地之间，运放芯片U3B的第7脚连接电阻R23，运放芯片U3C的第8脚连接电阻R24，电阻R23和电阻R24的输出端连接在一起，共同接在运放芯片U3D的第12脚上。

DC/DC变换器的输出电流反馈信号If连接电阻R26和电阻R28，电阻R26输出端接在芯片运放芯片U4B的第6脚，运放芯片U4B的第6脚串联电阻R31接在芯片运放芯片U4B的第7脚，电阻R28输出端接在芯片运放芯片U4C的第9脚，运放芯片U4C的第9脚串联电容C10接在芯片运放芯片U4C的第8脚，DC/DC变换器的输出电流给定信号Ig连接电阻R27和电阻R29，电阻R27的输出端接在运放芯片U4B的第6脚，电阻R29的输出端接在运放芯片U4C的第9脚，电阻R25接在运放芯片U4B的第5脚和信号地之间，电阻R30接在运放芯片U4C的第10脚和信号地之间，运放芯片U4B的第7脚连接电阻R32，运放芯片U4C的第8脚连接电阻R33，电阻R32和电阻R33的输出端连接在一起，共同接在运放芯片U4D的第12脚上。

运放芯片U2D的第14脚的输出为输入欠压控制调节信号e_Uin，且连接在二极管D3的阴极上；芯片运放芯片U3D的第13脚连接第14脚，运放芯片U3D的第14脚的输出为输出恒压控制调节信号e_u，且连接在二极管D4的阴极上；芯片运放芯片U4D的第13脚连接第14脚，运放芯片U4D的第14脚的输出为输出恒流控制调节信号e_i，且连接在二极管D5的阴极上；二极管D3的阳极、二极管D4的阳极、和二极管D5的阳极连接在一起，共同接在PWM脉冲发生电路中芯片芯片U1的第9脚。

PWM脉冲发生电路采用常规的电路。

本发明的复合输入输出特性控制电路设计精巧，利用少量元器件，实现了燃料电池车用DC/DC变换器复合输入输出特性软切换的复杂控制。

Claims (5)

1、一种燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：由输入输出特性控制电路及复合切换电路和PWM脉冲发生电路构成复合输入输出特性控制电路，所述输入输出特性控制电路由输入欠压PI调节电路、输出恒压PI调节电路和输出恒流PI调节电路构成，所述输入欠压PI调节电路接收DC/DC变换器的输入电压信号(U_in)和输入欠压给定信号(U_ing)，并对接收的信号进行PI调节得到输入欠压控制调节信号e_Uin；所述输出恒压PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电压反馈信号(U_f)和输出恒压给定信号(U_g)，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒压控制调节信号e_u；所述输出恒流PI调节电路接收DC/DC变换器的输出电流反馈信号(I_f)和输出恒流给定信号(I_g)，并对接收的信号进行PI调节得到输出恒流控制调节信号e_i；所述复合切换电路对接收的输入欠压控制调节信号e_Uin、输出恒压控制调节信号e_u和输出恒流控制调节信号e_i进行电压比较，比较得到复合特性输出信号 e＝min{e_Uin，e_u，e_i}，并将复合特性输出信号 e输出给PWM脉冲发生电路。

2、根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：DC/DC变换器的输入电压信号(U_in)连接第八电阻(R8)和第十电阻(R10)，第八电阻(R8)输出端接在第一运放芯片TL084(U2B)的第6脚，第一运放芯片TL084(U2B)的第6脚串联第十三电阻(R13)接在第一运放芯片TL084(U2B)的第7脚，第十电阻(R10)输出端接在第二运放芯片TL084(U2C)的第9脚，第二运放芯片TL084(U2C)的第9脚串联第八电容(C8)接在第二运放芯片TL084(U2C)的第8脚，DC/DC变换器的输入欠压给定信号(U_ing)连接第九电阻(R9)和第十一电阻(R11)，第九电阻(R9)的输出端接在第一运放芯片TL084(U2B)的第6脚，第十一电阻(R11)的输出端接在第二运放芯片TL084(U2C)的第9脚，第七电阻(R7)接在第一运放芯片TL084(U2B)的第5脚和信号地之间，第十二电阻(R12)接在第二运放芯片TL084(U2C)的第10脚和信号地之间，第一运放芯片TL084(U2B)的第7脚连接第十四电阻(R14)，第二运放芯片TL084(U2C)的第8脚连接第十五电阻(R15)，第十四电阻(R14)和第十五电阻(R15)的输出端连接在一起，共同接在第三运放芯片TL084(U2D)的第12脚上；

DC/DC变换器的输出电压反馈信号(U_f)连接第十七电阻(R17)和第十九电阻(R19)，第十七电阻(R17)输出端接在第四运放芯片TL084(U3B)的第6脚，第四运放芯片TL084(U3B)的第6脚串联第二十二电阻(R22)接在第四运放芯片TL084(U3B)的第7脚，第十九电阻(R19)输出端接在第五运放芯片TL084(U3C)的第9脚，第五运放芯片TL084(U3C)的第9脚串联第九电容(C9)接在第五运放芯片TL084(U3C)的第8脚，DC/DC变换器的输出恒压给定信号(U_g)连接第十八电阻(R18)和第二十电阻(R20)，第十八电阻(R18)的输出端接在第四运放芯片TL084(U3B)的第6脚，第二十电阻(R20)的输出端接在第五运放芯片TL084(U3C)的第9脚，第十六电阻(R16)接在第四运放芯片TL084(U3B)的第5脚和信号地之间，第二十一电阻(R21)接在第五运放芯片TL084(U3C)的第10脚和信号地之间，第四运放芯片TL084(U3B)的第7脚连接第二十三电阻(R23)，第五运放芯片TL084(U3C)的第8脚连接第二十四电阻(R24)，第二十三电阻(R23)和第二十四电阻(R24)的输出端连接在一起，共同接在第六运放芯片TL084(U3D)的第12脚上；

DC/DC变换器的输出电流反馈信号(I_f)连接第二十六电阻(R26)和第二十八电阻(R28)，第二十六电阻(R26)输出端接在第七运放芯片TL084(U4B)的第6脚，第七运放芯片TL084(U4B)的第6脚串联第三十一电阻(R31)接在第七运放芯片TL084(U4B)的第7脚，第二十八电阻(R28)输出端接在第八运放芯片TL084(U4C)的第9脚，第八运放芯片TL084(U4C)的第9脚串联第十电容(C10)接在第八运放芯片TL084(U4C)的第8脚，DC/DC变换器的输出恒流给定信号(I_g)连接第二十七电阻(R27)和第二十九电阻(R29)，第二十七电阻(R27)的输出端接在第七运放芯片TL084(U4B)的第6脚，第二十九电阻(R29)的输出端接在第八运放芯片TL084(U4C)的第9脚，第二十五电阻(R25)接在第七运放芯片TL084(U4B)的第5脚和信号地之间，第三十电阻(R30)接在第八运放芯片TL084(U4C)的第10脚和信号地之间，第七运放芯片TL084(U4B)的第7脚连接第三十二电阻(R32)，第八运放芯片TL084(U4C)的第8脚连接第三十三电阻(R33)，第三十二电阻(R32)和第三十三电阻(R33)的输出端连接在一起，共同接在第九运放芯片TL084(U4D)的第12脚上。

3、根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：所述复合切换电路由第三运放芯片TL084(U2D)、第六运放芯片TL084(U3D)和第九运放芯片TL084(U4D)以及第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第五二极管(D5)组成；第三运放芯片TL084(U2D)的第13脚连接第14脚，第三运放芯片TL084(U2D)的第14脚的输出为输入欠压控制调节信号e_Uin，且连接在第三二极管(D3)的阴极上；第六运放芯片(U3D)的第13脚连接第14脚，第六运放芯片TL084(U3D)的第14脚的输出为输出恒压控制调节信号e_u，且连接在第四二极管(D4)的阴极上；第九运放芯片TL084(U4D)的第13脚连接第14脚，第九运放芯片TL084(U4D)的第14脚的输出为输出恒流控制调节信号e_i，且连接在第五二极管(D5)的阴极上；第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和第五二极管(D5)的阳极连接在一起，共同接在PWM脉冲发生电路芯片SG3525(U1)的第9脚。

4、根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：所述PWM脉冲发生电路选取SG1525或者SG2525或者SG3525芯片。

5、根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换器控制电路中复合输入输出特性控制电路，其特征在于：所述输入输出特性控制电路和复合切换电路选取TL084芯片。

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