CN101465558A - 一种燃料电池混合电源的功率调节器 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池混合电源的功率调节器，该燃料电池混合电源的功率调节器由DC/DC电压变换器和电流调整器级联而成，DC/DC电压变换器包括DC/DC电路、DC/DC控制器、第一电压传感器和第二电压传感器，组成燃料电池输出电压的闭环控制电路。电流调整器包括电流调整电路、电流调整电路控制器和电流传感器，组成燃料电池输出电流的闭环控制电路。燃料电池混合电源的功率调节器还包括一个燃料电池电压预估器。功率调节器对燃料电池输出的功率进行调整，使燃料电池在负载发生变化时能以额定输出功率向负载输出电能。本发明不仅能够保证燃料电池向负载提供稳定的电能，还能有效的提高燃料电池的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池混合电能管理技术领域，特别是一种燃料电池混合电源的功率调节器。
背景技术
随着工业化进程的推进，人类对能源的消耗快速增长，过度的能源开发和使用带来许多负面影响。以石油和煤炭为代表的传统能源逐渐枯竭，能源危机日益凸现；另外，能源使用过程所产生的有害物质对环境的污染日趋严重，已经对人类生活造成影响。为了缓解能源危机，减少对环境的污染，各国都在积极地开发和利用各种新型能源。
燃料电池以其污染小、效率高等优点引起世界各国的广泛关注，许多国家的研究人员积极地展开相关研究工作。经过数十年的努力，已经初步掌握了电堆制造、加湿膜集成等技术。尽管在燃料电池系统的动力学建模和控制方面也取得了一定的成果，但还有许多问题亟待解决。目前，如何延长燃料电池的使用寿命，并提高燃料电池的输出功率仍是这项技术产品化的技术难点。
清华大学裴普成教授等人的研究结果表明，燃料电池的寿命和燃料电池输出的高频功率有着密切的关系，高频功率越小，燃料电池的寿命越长。在稳态功率输出的条件下，燃料电池的使用寿命可以大大延长，甚至可以达到3000小时。因此，减少燃料电池的高频功率，是提高燃料电池寿命的一项基本措施。另外，由于燃料电池的技术含量高，所使用的材料稀缺，相对于常规的电源，燃料电池的成本非常高。目前，许多研究人员都在致力于提高燃料电池的输出功率，降低燃料电池的相对生产成本。由于人们对燃料电池的研究还处于初期阶段，关于燃料电池功率调节器的研究刚刚开始。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池混合电源的功率调节器，该功率调节器能够对燃料电池的输出电压和输出电流进行控制，使得燃料电池在负载发生大范围波动的情况下能够输出稳定的电压和电流，进而输出稳定的功率。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：
本发明所述的功率调节器包括DC/DC电路、DC/DC控制器、电流调整电路、电流调整电路控制器、第一电压传感器、第二电压传感器和一个电流传感器。其中，DC/DC电路、DC/DC控制器和两个电压传感器组成燃料电池输出电压的闭环控制电路；电流调整电路、电流调整电路控制器和电流传感器组成燃料电池输出电流的闭环控制电路。
燃料电池混合电源的功率调节器中有一个电压预估器，电压预估器接收第一电压传感器传送过来的燃料电池输出电压信号，利用数据拟合的方法，对燃料电池下一时刻输出电压值进行预测。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该功率调节器能够对燃料电池的输出电压和输出电流进行控制，使得燃料电池在负载发生大范围波动的情况下能输出稳定的电压和电流，进而输出稳定的功率。这种功率调节器不仅能够提高燃料电池的功率输出效率，而且还能延长燃料电池的使用寿命。
附图说明
图1为功率调节器工作原理示意图。
图2为功率调整器系统结构示意图。
图3为DC/DC电压变换器拓扑结构图。
图4为闭环电流调整器拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。
所涉及的功率调节器的工作原理如图一所示。
燃料电池直接向功率调节器提供电能，功率调节器对燃料电池供给的电能进行调节和控制，其输出的电功率为燃料电池的额定电功率。负载对电功率的需求和燃料电池提供的电功率之差由辅助电源提供。
本发明所涉及的功率调整器的系统结构如图2所示。燃料电池混合电源的功率调节器主要由DC/DC电压变换器和电流调整器级联而成，DC/DC电压变换器从燃料电池接受电能，然后向电流调整器输出电压稳定的电能。电流调整器的控制器对电流调整器的输出电流进行控制和调整，最终以燃料电池的额定功率输出稳定的电能。在DC/DC电压变换器中，第一电压传感器、第二电压传感器、DC/DC控制器和DC/DC电路构成一个控制闭环。其中，第一电压传感器对燃料电池的输出电压进行测量，测量信号送入DC/DC控制器，参与DC/DC电路控制；在电流调整器中，电流传感器、电流调整电路控制器和电流调整器电路构成一个控制闭环。
所述的燃料电池混合电源的功率调节器还包括一个燃料电池电压预估器，所述的燃料电池电压预估器接收第一电压传感器传送来的燃料电池输出电压信号，并将所预测的燃料电池下一时刻的电压输出值输送到所述的DC/DC控制器中。
图3为DC/DC电压变换器的拓扑结构图，DC/DC电路的拓扑结构既可以采用Boast电路，以可以采用Buck电路，甚至还可以采用Boast-Buck电路以及Buck-boast电路。此处，以Buck电路为例来阐明本发明中电压控制的原理。其中，功率开关、二极管、电抗器和电容器构成一个标准的Buck电路。DC/DC控制器通过调节功率开关的占空比对电流调整器的输入电压进行控制。图3所示DC/DC电压变换电路的功能有两个：一是把燃料电池输出的非标准的电压转换成标准的工业电压；二是减少燃料电池输出电压波动对DC/DC输出电压的影响。
燃料电池具有比较大的输出特性阻抗，随着输出电流的增加，输出电压急剧下降。因此，在DC/DC的工作过程中，将承受比较的动态输入电压。由于DC/DC的动态输入电压比较大，DC/DC电路中的有关状态变量工作在非线性区间，这使得DC/DC的输出电压难于保持稳定。为了克服这个困难，本发明中设置了燃料电池电压预估器，在接收到第一电压传感器对燃料电池的电压测量信号后，利用数据拟合的方法，对燃料电池下一时刻输出电压值进行预测，预测结果送入DC/DC控制器内参与DC/DC的控制。由于采取了这个措施，DC/DC的输出电压稳定性大幅度增强，能够满足后续电路对DC/DC输出电压的要求。
图4为闭环电流调整器的拓扑结构图。其中，电流调整电路、电流调整电路控制器和电流传感器组成燃料电池输出电流的闭环控制电路。这个闭环控制电路用来对燃料电池的输出电流进行控制。电流传感器的测量信号送入电流调整器电路控制器，该控制器通过控制功率开关的占空比对电流调整器电路的输出电流进行监视和控制。一旦电流调整器的输出电流和设定的理想电流值发生偏差，该控制器就根据一定的规律对电流调整电路的状态变量进行调整，最终使电流调整器电路的输出电流返回到设定值，在整个调整过程中，该控制器还能保证电流调整电路的输出电流不出现过大的超调，同时还保证调整时间能够满足整个系统的需要。负载对电功率的需求和燃料电池提供的电功率之差由辅助电源提供。
Claims (2)
1、一种燃料电池混合电源的功率调节器，其特征在于：所述的燃料电池混合电源的功率调节器由DC/DC电压变换器和电流调整器级联而成，所述的DC/DC电压变换器包括DC/DC电路、DC/DC控制器、第一电压传感器和第二电压传感器，所述的DC/DC电路、DC/DC控制器和第一电压传感器和第二电压传感器组成燃料电池输出电压的闭环控制电路；所述的电流调整器包括电流调整电路、电流调整电路控制器和电流传感器，所述的电流调整电路、电流调整电路控制器和电流传感器组成燃料电池输出电流的闭环控制电路。
2、如权利要求1所述的燃料电池混合电源的功率调节器，其特征在于：所述的燃料电池混合电源的功率调节器还包括一个燃料电池电压预估器，所述的燃料电池电压预估器接收第一电压传感器传送来的燃料电池输出电压信号，并将所预测的燃料电池下一时刻的电压输出值输送到所述的DC/DC控制器中。
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2009
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