CN101782630A - 一种具有恒流恒功率的电子负载控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试燃料电池的电子负载控制器，该电子负载控制器包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路和等效阻抗电路；其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间。通过DSP处理器对接收的电压和电流信息进行相关联处理，使得在第一功率开关管T₁和第二功率开关管T₂开通与关断的整个周期中，实现燃料电池输出电流和输出功率的控制，并且也解决了测试过程中燃料电池堆工作进入浓差极化区，需要对其进行欠压保护。

Description

一种具有恒流恒功率的电子负载控制器

技术领域

本发明涉及一种适用于燃料电池测试系统的电子负载控制器。

背景技术

在2007年12月的大连理工大学的硕士学位论文中公开了“微小型燃料电池测试系统研究”。在第13、14页中说明了电子负载属于燃料电池测试系统的一部分。电子负载负责模拟各种情况下负载的变化，同时监测和控制燃料电池的输出电压、电流、功率和负载的电阻变化等运行参数。

在2007年5月的成都电子科技大学的硕士学位论文中公开了“一种燃料电池测试系统的电子负载设计”。在第7、8、9页中说明了电子负载的构成。

燃料电池堆输出特性的主要考核指标包括有输出外特性曲线和动态响应速度。外特性曲线是指其输出电流和电压的伏安特性曲线，其单体电压外特性曲线可以划分为活化区、欧姆极化区和浓差极化区，如图2所示。活化区是指在燃料电池加载起始阶段，其输出电压下降较快；在起始阶段之后进入欧姆极化区，输出电压随输出电流增加而近似线性下降；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电流(功率)，则有可能使燃料电池超过其使用极限，影响使用寿命，这个区域被称为浓差极化区；动态响应速度是指燃料电池堆输出电流(功率)跟随变化目标值的响应速度。

燃料电池堆外特性曲线趋势与单体电压外特性曲线类似，具体参数与堆内部单体电池数量、组合方式和衰减程度有关，这使得不同电堆输出特性存在较大差异。而燃料电池堆外特性曲线对整车控制有着重要的参考价值，因此出厂前有必要进行测试，以确保电堆能满足当前整车控制的要求。欲绘制出其输出特性曲线，就必须搭建一套能实时改变燃料电池堆输出电流和功率的测试平台。以往的测试是通过台架试验模拟整车动力系统构型实现的，实际装车后基于能量混合型动力系统构型的燃料电池城市客车采用DC/DC变换器控制燃料电池堆输出的能量流动，这种控制主要是针对DC/DC输出电压和电流而言的，并没有对燃料电池堆输出电流，即DC/DC变换器输入电流进行控制；对于燃料电池输出功率的调节虽然可以通过控制DC/DC变换器输出电流调节DC/DC变换器输出功率实现，但由于DC/DC变换器效率受输入输出电压和输出功率等因素影响而浮动较大，并不能真实反应燃料电池堆输出功率。此外，为了避免测试过程中燃料电池堆工作进入浓差极化区，需要对其进行欠压保护，即当燃料电池堆输出电压低于某值时自动关闭输出。这就要求电子负载控制器具备输入欠压保护功能并可以随时在线设定欠压值以适应多种规格的燃料电池堆。

在燃料电池测试系统中设计电子负载，是为了测试燃料电池堆的外特性。然而现有的电子负载不能适用于不同规格的燃料电池堆的外特性测试，故本发明设计一种能够进行大功率、且适于不同规格的电子负载控制器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，该电子负载控制器中增设了等效阻抗电路，该等效阻抗电路设置在燃料电池与电子负载控制器的控制电路之间。

本发明的一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，包括有等效阻抗电路、DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路，其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；该等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间。

所述的等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₃、第四滤波电感L₄、第一滤波电容C₁、第二滤波电容C₂、第三滤波电容C₃、第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂和功率电阻R。燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感L₁的1端和第二滤波电感L₂的1端连接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容C₁的2端和第二滤波电容C₂的2端连接；电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第一滤波电感L₁的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第二滤波电感L₂的1端之间；第一滤波电感L₁的2端分别与第一滤波电容C₁的1端和第一功率开关管T₁的集电极连接；第二滤波电感L₂的2端分别与第二滤波电容C₂的1端和第二功率开关管T₂的集电极连接；第一功率开关管T₁的发射极分别与第一功率二极管D₁的阴极和第三滤波电感L₃的1端连接，第一功率开关管T₁的基极与第一驱动电路连接；第一功率二极管D₁的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第二功率开关管T₂的发射极分别与第二功率二极管D₂的阴极和第四滤波电感L₄的1端连接，第二功率开关管T₂的基极与第二驱动电路连接；第二功率二极管D₂的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第三滤波电感L₃的2端与第四滤波电感L₄的2端连接后，且与第三滤波电容C₃的1端连接，第三滤波电容C₃的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C₃并联。

所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第一滤波电感L₁与第一滤波电容C₁形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性；第二滤波电感L₂与第二滤波电容C₂形成B滤波电路，该B滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。

所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第三滤波电感L₃与第三滤波电容C₃形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率开关管T₁和第一功率二极管D₁输出的高频分量，得到直流分量。

所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第四滤波电感L₄与第三滤波电容C₃形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率开关管T₂和第二功率二极管D₂输出的高频分量，得到直流分量。

所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第一功率开关管T₁、第一功率二极管D₁、第三滤波电感L₃和第三滤波电容C₃形成单路Buck电路；第二功率开关管T₂、第二功率二极管D₂、第四滤波电感L₄和第三滤波电容C₃形成另一单路Buck电路。

本发明电子负载控制器的优点在于：

①在Buck电路前级添加了滤波电感和电容，保证了输入电流连续可控。

②采用双路并联拓扑结构大大降低了电压电流应力，增加了电源的可靠性和安全工作范围。

③本发明设计的电子负载控制器可以适用于输出功率为0～100kW、输出电压为0～600V、输出电流为0～300A的燃料电池堆测试，实现燃料电池输出恒流和恒功率控制，电流误差不超过0.3A，功率误差不超过0.1kW。

附图说明

图1是本发明电子负载控制器的结构框图。

图2是燃料电池单体电压输出特性曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种适用于燃料电池的具有恒流恒功率的电子负载控制器，该电子负载控制器包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路和等效阻抗电路；其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间。计算机(运行有IXXAT V2.2软件)用于监测燃料电池的状态，同时给电子负载控制器发送指令。计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。

本发明设计的电子负载控制器，通过控制电路来控制等效阻抗电路的输出阻抗，从而改变燃料电池的输出电流和功率。

在本发明中的等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₃、第四滤波电感L₄、第一滤波电容C₁、第二滤波电容C₂、第三滤波电容C₃、第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂和功率电阻R。

其中，第一滤波电感L₁与第一滤波电容C₁形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。

其中，第二滤波电感L₂与第二滤波电容C₂形成B滤波电路，该B滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。

A滤波电路与B滤波电路并联设置在燃料电池与两个功率开关管之间，与单路Buck电路相比，双路并联Buck降压型拓扑结构的电压电流应力都大大降低了。在相同燃料电池堆输出电流前提下，流过每一支路电流为总电流的1/2，单位时间内电流的变化随之减半，开关管关断时由于存在寄生电感而产生的电压尖峰也大大降低了，从而增大了输入电压安全工作的范围。

其中，第三滤波电感L₃与第三滤波电容C₃形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率开关管T₁和第一功率二极管D₁输出的高频分量，得到直流分量。

其中，第四滤波电感L₄与第三滤波电容C₃形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率开关管T₂和第二功率二极管D₂输出的高频分量，得到直流分量。

其中，第一功率开关管T₁、第一功率二极管D₁、第三滤波电感L₃和第三滤波电容C₃形成单路Buck电路。

其中，第二功率开关管T₂、第二功率二极管D₂、第四滤波电感L₄和第三滤波电容C₃形成另一单路Buck电路。

电压传感器用于采集燃料电池的输出电压U_i，即负载控制器的输入电压，该输出电压U_i返馈给DSP处理器作为电压采集值U_i′。

第一电流传感器用于采集第一滤波电感L₁上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第一支路的电流采样值I₁。

第二电流传感器用于采集第二滤波电感L₂上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第二支路的电流采样值I₂。

DSP处理器第一方面对接收到的电压采集值U_i′进行均值滤波处理后，输出滤波后电压值U给计算机；

DSP处理器第二方面对接收到的第一支路电流采样值I₁进行均值滤波处理后，输出滤波后第一电流I₁′；

DSP处理器第三方面对接收到的第二支路电流采样值I₂进行均值滤波处理后，输出滤波后第二电流I₂′；

DSP处理器第四方面对I₁′和I₂′进行求和，输出总电流I给计算机；

DSP处理器第五方面将接收到的目标指令f(V₀，Mode，I_aim，P_aim)通过D/A转换器输出模拟信号给第一驱动电路和第二驱动电路，从而通过第一驱动电路开启或关断第一功率开关管T₁，第二驱动电路开启或关断第二功率开关管T₂。所述的目标指令f(V₀，Mode，I_aim，P_aim)中，V₀表示欠压设定值，Mode表示工作模式，I_aim表示电流设定值，P_aim表示功率设定值。

在本发明中，DSP处理器首先将欠压设定值V₀和电子负载控制器输入电压采样值U_i′进行比较，当输入电压采样值U_i′小于等于欠压设定值V₀时关闭电子负载控制器(U_i′≤V₀)；

当输入电压采样值U_i′高于欠压设定值V₀时，根据控制模式Mode选取电子负载控制器的工作模式，Mode＝0代表恒电流模式，Mode＝1代表恒功率模式。

在恒电流模式下，DSP处理器将电子负载控制器输入电流设定值I_aim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现T₁和T₂的通断。从而使电子负载控制器的输入总电流I跟随输入电流设定值I_aim。

在恒功率模式下，DSP处理器接受到功率设定值P_aim后，首先除以当前电子负载控制器输入电压采样值U_i′，将功率设定值P_aim换算成对应于电子负载控制器输入电流设定值I_aim，再将输入电流设定值I_aim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现T₁和T₂的通断。从而使电子负载控制器的输入功率跟随功率设定值P_aim，将误差范围控制在0.1kW内。

计算机下发目标值f给DSP处理器。在本发明中，可以通过计算机来实时观察燃料电池的状态。

本发明的等效阻抗电路的电路连接为：

燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感L₁的1端和第二滤波电感L₂的1端连接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容C₁的2端和第二滤波电容C₂的2端连接；

电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第一滤波电感L₁的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第二滤波电感L₂的1端之间；

第一滤波电感L₁的2端分别与第一滤波电容C₁的1端和第一功率开关管T₁的集电极连接；

第二滤波电感L₂的2端分别与第二滤波电容C₂的1端和第二功率开关管T₂的集电极连接；

第一功率开关管T₁的发射极分别与第一功率二极管D₁的阴极和第三滤波电感L₃的1端连接，第一功率开关管T₁的基极与第一驱动电路连接；

第一功率二极管D₁的阳极连接在燃料电池的输出负极上；

第二功率开关管T₂的发射极分别与第二功率二极管D₂的阴极和第四滤波电感L₄的1端连接，第二功率开关管T₂的基极与第二驱动电路连接；

第二功率二极管D₂的阳极连接在燃料电池的输出负极上；

第三滤波电感L₃的2端与第四滤波电感L₄的2端连接后，且与第三滤波电容C₃的1端连接，第三滤波电容C₃的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C₃并联。

本发明中的电子负载控制器，在第一功率开关管T₁和第二功率开关管T₂开通与关断的整个周期中，流经第一滤波电感L₁的电流I₁和流经第二滤波电感L₂的电流I₂是连续的，继而减小了燃料电池堆输出电流的波动。在燃料电池输出正极和负极端上并联电压传感器测得输入反馈电压U_i，在滤波电感L₁和滤波电感L₂上分别串有第一电流传感器和第二电流传感器测得输入反馈电流值I₁和I₂，传感器信号输出给DSP处理芯片；同时通过计算机将欠压设定值、控制模式、目标电流、目标功率等信息发给DSP处理芯片，最后由第一驱动电路和第二驱动电路对T₁和T₂进行导通和关断处理，从而控制电子负载控制器输入电流和输入功率，即控制了燃料电池输出电流和输出功率；保护电路可以实现电子负载控制器过流、过温的实时保护，自动切断电源输出。

考虑到目前实际装车的燃料电池堆空载电压一般可以高达400V～500V，输出功率高达100kW，本装置选用了双路并联Buck降压型拓扑结构，在输入级增加了滤波电感和电容。非隔离型Buck变换器拓扑结构简单，效率高，并且已经成功应用在能量混合型燃料电池城市客车中。在相同燃料电池堆输出电流前提下，流过每一支路电流为总电流I的1/2，单位时间内电流的变化随之减半，开关管关断时由于存在寄生电感而产生的电压尖峰也大大降低了，从而增大了输入电压安全工作的范围。

Claims (9)

1.一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路，其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；其特征在于：还包括有等效阻抗电路，该等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间；

等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第三滤波电感L₃、第四滤波电感L₄、第一滤波电容C₁、第二滤波电容C₂、第三滤波电容C₃、第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂和功率电阻R。

燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感L₁的1端和第二滤波电感L₂的1端连接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容C₁的2端和第二滤波电容C₂的2端连接；

电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第一滤波电感L₁的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第二滤波电感L₂的1端之间；

第一滤波电感L₁的2端分别与第一滤波电容C₁的1端和第一功率开关管T₁的集电极连接；

第二滤波电感L₂的2端分别与第二滤波电容C₂的1端和第二功率开关管T₂的集电极连接；

第一功率开关管T₁的发射极分别与第一功率二极管D₁的阴极和第三滤波电感L₃的1端连接，第一功率开关管T₁的基极与第一驱动电路连接；

第一功率二极管D₁的阳极连接在燃料电池的输出负极上；

第二功率开关管T₂的发射极分别与第二功率二极管D₂的阴极和第四滤波电感L₄的1端连接，第二功率开关管T₂的基极与第二驱动电路连接；

第二功率二极管D₂的阳极连接在燃料电池的输出负极上；

第三滤波电感L₃的2端与第四滤波电感L₄的2端连接后，且与第三滤波电容C₃的1端连接，第三滤波电容C₃的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C₃并联。

2.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：第一滤波电感L₁与第一滤波电容C₁形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性；第二滤波电感L₂与第二滤波电容C₂形成B滤波电路，该B滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。

3.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：第三滤波电感L₃与第三滤波电容C₃形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率开关管T₁和第一功率二极管D₁输出的高频分量，得到直流分量。

4.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：第四滤波电感L₄与第三滤波电容C₃形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率开关管T₂和第二功率二极管D₂输出的高频分量，得到直流分量。

5.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：第一功率开关管T₁、第一功率二极管D₁、第三滤波电感L₃和第三滤波电容C₃形成单路Buck电路；第二功率开关管T₂、第二功率二极管D₂、第四滤波电感L₄和第三滤波电容C₃形成另一单路Buck电路。

6.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：电压传感器用于采集燃料电池的输出电压U_i，即负载控制器的输入电压，该输出电压U_i返馈给DSP处理器作为电压采集值U_i′。

7.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：第一电流传感器用于采集第一滤波电感L₁上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第一支路的电流采样值I₁；第二电流传感器用于采集第二滤波电感L₂上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第二支路的电流采样值I₂。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或者6所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：

DSP处理器第一方面对接收到的电压采集值U_i′进行均值滤波处理后，输出滤波后电压值U给计算机；

DSP处理器第二方面对接收到的第一支路电流采样值I₁进行均值滤波处理后，输出滤波后第一电流I₁′；

DSP处理器第三方面对接收到的第二支路电流采样值I₂进行均值滤波处理后，输出滤波后第二电流I₂′；

DSP处理器第四方面对I₁′和I₂′进行求和，输出总电流I给计算机；

DSP处理器第五方面将接收到的目标指令f(V₀，Mode，I_aim，P_aim)通过D/A转换器输出模拟信号给第一驱动电路和第二驱动电路，从而通过第一驱动电路开启或关断第一功率开关管T₁，第二驱动电路开启或关断第二功率开关管T₂；所述的目标指令f(V₀，Mode，I_aim，P_aim)中，V₀表示欠压设定值，Mode表示工作模式，I_aim表示电流设定值，P_aim表示功率设定值；

DSP处理器首先将欠压设定值V₀和电子负载控制器输入电压采样值U_i′进行比较，当输入电压采样值U_i′小于等于欠压设定值V₀时关闭电子负载控制器(U_i′≤V₀)；

当输入电压采样值U_i′高于欠压设定值V₀时，根据控制模式Mode选取电子负载控制器的工作模式，Mode＝0代表恒电流模式，Mode＝1代表恒功率模式；

在恒电流模式下，DSP处理器将电子负载控制器输入电流设定值I_aim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现T₁和T₂的通断；从而使电子负载控制器的输入总电流I跟随输入电流设定值I_aim；

在恒功率模式下，DSP处理器接受到功率设定值P_aim后，首先除以当前电子负载控制器输入电压采样值U_i′，将功率设定值P_aim换算成对应于电子负载控制器输入电流设定值I_aim，再将输入电流设定值I_aim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现T₁和T₂的通断；从而使电子负载控制器的输入功率跟随功率设定值P_aim，将误差范围控制在0.1kW内。

9.根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于：能够适用于输出功率为0～100kW、输出电压为0～600V、输出电流为0～300A的燃料电池堆测试，实现燃料电池输出恒流和恒功率控制，电流误差不超过0.3A，功率误差不超过0.1kW。

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