CN102624078A - 一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置，该方法是由外部接口控制单元控制切换装置，对两路直流输入供电进行切换，使燃料电池供气装置从电源取电或者从燃料电池系统取电。与现有技术相比，本发明具有提高燃料系统工作效率、节省燃料消耗、增加燃料系统续航时间等优点。

Description

一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种直流供电方法，尤其是涉及一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置。

背景技术

在燃料电池系统中(比如氢燃料电池系统)，为了给电堆提供氧化剂，需要向电堆提供空气。部分燃料电池系统设计方案中采用供气装置来向电堆提供空气氧化剂。电堆产出的电能的电压范围一般较宽，在不同的输出功率条件下输出压力也不一样，因此电堆产出的电能都需要DCDC变换器，将电堆电能变换成通用的输出电压(如48V)，以便供用户使用。

传统的供气装置供电方案是将供气装置的供电输入端连接到燃料电池系统的最终直流输出端，也就是燃料电池系统DCDC变换器的输出端，并与负载并联在一起。燃料电池系统工作时先由备用电池启动供气装置，供气装置工作后为燃料电堆提供氧化剂，燃料电堆在控制系统合理的控制下产出电能，为负载提供电力。

供气装置能耗通常有几百瓦。使用传统连接方式，供气装置将从燃料电池系统DCDC变换器的输出端取电，导致燃料消耗量大，燃料系统续航时间短等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高燃料系统工作效率、节省燃料消耗、增加燃料系统续航时间的直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，该方法是由外部接口控制单元控制切换装置，对两路直流输入供电进行切换，使燃料电池供气装置从电源取电或者从燃料电池系统取电。

所述的切换装置由两个可切换的变换器组成，或者由两个可切换的电路连接同一变换器组成。

所述的变换器包括DCDC电源模块，变换器为由全桥、半桥、H桥、BUCK、BOOST中任一或组合所组成的拓朴电路结构。

所述的变换器为隔离变换器或非隔离变换器。

所述的接口控制单元包括分立元件、集成IC、数字微控制器或可编程逻辑单元，接口控制单元检测切换装置的状态，为远程设备提供切换装置状态信息。

所述的接口控制单元的电路为光耦隔离器件、电阻、电容、二极管之一或者其组合。

一种实施直流双路输入的供电切换方法的装置，其特征在于，该装置包括切换装置、第一供电支路、第二供电支路和接口控制单元，所述的切换装置由可切换的第一变换器和第二变换器组成，所述的第一变换器的输入端通过第一供电支路连接电源，所述的第二变换器通过第二供电支路连接燃料电池系统的供电输出端，第一变换器的输出端与第二变换器的输出端并联后直接连接供气装置，或者通过信号处理单元连接供气装置，所述的接口控制单元分别连接第一变换器和第二变换器，接口控制单元根据外部信号控制策略，执行外部指令并控制可切换工作的第一变换器和第二变换器。

所述的信号处理单元为由电感、电容组成的滤波网络；或者由开关器件、二极管、电感、电容、电阻、传感器任一元件或其中任意组合所组成的处理单元；或者直接为一导体。

一种实施直流双路输入的供电切换方法的装置，其特征在于，该装置包括切换装置、第一供电支路、第二供电支路和接口控制单元，所述的切换装置由可切换的第一电路和第二电路连接同一变换器组成，所述的第一电路的输入端通过第一供电支路连接电源，所述的第二电路通过第二供电支路连接燃料电池系统的供电输出端，第一电路的输出端与第二电路的输出端并联后连接变换器，所述的变换器连接供气装置，或者通过信号处理单元连接供气装置，所述的接口控制单元分别连接第一电路和第二电路，接口控制单元根据外部信号控制策略，执行外部指令并控制可切换工作的第一电路和第二电路。

所述的信号处理单元为由电感、电容组成的滤波网络；或者由开关器件、二极管、电感、电容、电阻、传感器任一元件或其中任意组合所组成的处理单元；或者直接为一导体。

与现有技术相比，本发明使供气装置在启动时从燃料电池系统DCDC变换器的输出端取电，然后在燃料电池系统的电堆准备就绪并产出电能后，由控制系统在适当的时候切换供气装置的供电源，让供气装置直接从电堆输出端取电。由于燃料电池系统DCDC变换器的效率一般在90％左右，这样改进后，可以节省相当一部分的电能。本发明提高了燃料系统工作效率、节省燃料消耗、增加燃料系统续航时间。

附图说明

图1是本发明实施例1中双路供电切换电源装置结构示意图；

图2是本发明实施例2中双路供电切换电源装置结构示意图；

图3是本发明实施例2中双路供电切换电源装置工作原理图；

图4是本发明实施例2中外部切换信号处理示意图；

图5是另一种外部切换信号处理示意图；

图6是本发明实施例4中双路供电切换电源装置结构示意图。

图中，I为远程信号，O为输出电能，CS为外部切换信号，SS为外部启停信号，M为第一支路辅电，N为第二支路辅电。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置，该方法是：将给燃料电池提供空气氧化剂的供气装置(如空压机)通过两个可切换的变换器及各变换器对应的供电支路分别连接电源和燃料电池系统的供电输出端，两个变换器分别连接接口控制单元(该接口控制单元可以是远程接口控制单元，也可以是其他接口控制单元)，通过接口控制单元控制两个变换器之间切换，使供气装置从电源取电或者从燃料电池系统取电。接口控制单元检测两个变换器状态，当两个变换器状态正常时，如果接收到外部指令的切换信号，则根据切换要求执行使能其中一个变换器工作，如果接收到外部指令的启停信号，则根据启停要求执行两个变换器反馈控制功能的使能或禁止。该切换方法通过选择电源来提高燃料系统工作效率，节省燃料消耗，增加燃料系统续航时间。

如图1所示，实施上述方法的装置包括第一变换器1、第二变换器2、第一供电支路3、第二供电支路4和远程接口控制单元5，其中第一变换器1的输入端通过第一供电支路3连接电源(该电源可以为备用电源，如蓄电池等，也可以为市电等)，第二变换器2通过第二供电支路4连接燃料电池系统的供电输出端，第一变换器1和第二变换器2各自独立实现DCDC变换功能，第一变换器1的输出端与第二变换器2的输出端并联后直接连接供气装置，第一变换器1和第二变换器2接收远程接口控制单元的控制要求，远程接口控制单元5分别连接第一变换器1和第二变换器2，远程接口控制单元5根据外部信号控制策略及检测第一变换器1和第二变换器2的状态，执行外部指令并控制可切换工作的第一变换器1和第二变换器2。

在燃料电池系统中，当燃料电池系统待机时，与燃料电池系统连接的第二供电支路4不向第二变换器2供电，而由于第一供电支路3连接的是电源是一直有供电的，可向第一变换器1供电，第一变换器1是否工作并输出电能要由燃料电池控制系统发送启动指令来决定。

当燃料电池系统需要工作并输出电能时，燃料控制系统先向第一变换器1发送启动指令，随即第一变换器1输出电能，驱动燃料电池系统的供气装置。供气装置向燃料电池系统提供氧化剂，使燃料电池具备输出电能的条件之一成立。

当燃料电池系统输出电能后，即第二供电支路4已经具备输出电能的能力。燃料电池控制系统在适当的时候对供电支路进行切换，由第二供电支路4提供电能，启动第二变换器2工作，并停止第一变换器1的运行。在燃料电池运行过程中，燃料电池系统根据系统控制策略自由在第一供电支路3与第二供电支路4之间切换，及启动与停止第一变换器1和第二变换器2。

实施例2

如图2所示，一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置，该装置与实施例1所示的装置比较，增加了信号处理单元6，其中第一变换器1的输出端和第二变换器2的输出端并联后通过信号处理单元6与负载连接，第一变换器1和第二变换器2各自独立实现直流变换为高频脉冲信号功能，再由信号处理单元6对高频脉冲信号进行平滑滤波处理，得到低纹波的稳压直流信号，第一变换器1和第二变换器2接收远程接口控制单元5的控制要求。

图3是图2所示装置的一种具体实施电路原理图，其中，远程接口控制单元5采用的是数字微控制器7，第一变换器1采用半桥隔离拓扑电路结构，将第一供电支路3进行直流到高频脉冲的信号处理，并通过二极管进行整流，包括增强型N沟道场效应管Q1、增强型N沟道场效应管Q2、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2和变压器T1，其中第一供电支路3分别与场效应管Q1的源极、电容C1的一端连接，增强型N沟道场效应管Q1的漏极分别与增强型N沟道场效应管Q2的源极和变压器T1的正输入端连接，电容C1的另一端分别与电容C2的一端和变压器T2的负输入端连接，增强型N沟道场效应管Q2的漏极与电容C2的另一端连接后接地，变压器T1的正输出端连接二极管D1的阳极，变压器T1的负输出端连接二极管D2的阳极，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极连接后作为第一变换器1的输出端A，其中增强型N沟道场效应管Q1的栅极和增强型N沟道场效应管Q2的栅极连接后连接到数字微控制器7。

第二变换器2采用同步BUCK非隔离拓扑结构，将第二供电支路2进行直流到高频脉冲的信号处理，包括增强型P沟道场效应管Q3和增强型N沟道场效应管Q4，其中增强型P沟道场效应管Q3的源极、漏极分别连接第二供电支路4和增强型N沟道场效应管Q4的源极，增强型N沟道场效应管Q4的漏极作为第二变换器2的输出端B，输出端B分别与输出端A、增强型N沟道场效应管Q5的源极连接，增强型N沟道场效应管Q5的漏极接地，其中增强型P沟道场效应管Q3的栅极、增强型N沟道场效应管Q4的栅极和增强型N沟道场效应管Q4的栅极分别连接到数字微控制器7。

信号处理单元6采用电感L1和电容C3组成的二阶低通滤波网络，电感L1的一端连接输出端A，另一端与电容C3串联，电容C3两端电压作为取样电压和燃料电池系统的最终输出电压。信号处理单元6将整流后的高频脉冲信号进行高频滤波，输出低纹波直流信号。信号处理单元6还进行输出电压和输出电流的信号取样，输出电压和输出电流取样信号由数字微控制器7进行处理，由数字微控制器7实现两个变换器的反馈、保护控制。

图4是实现电源切换功能的远程接口处理单元工作原理图，该远程接口包括限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3、第一光耦11和第二光耦12，第一光耦11的二极管和第二光耦12的二极管串联，外部切换信号CS通过限流电阻R1连接到第一光耦11二极管的阳极，第二光耦12二极管的阴极接地，第一支路辅电M、第二支路辅电N分别对应连接第一光耦11三极管的集电极、第二光耦12三极管的集电极，为第一光耦11的次边、第二光耦12的次边提供电力，第一光耦11三极管的发射极作为输出端C连接到第一变换器1的PWM使能端，第二光耦12三极管的发射极作为输出端D连接到第二变换器2的PWM使能端，输出端C、输出端D还分别通过限流电阻R2、限流电阻R3接地。当外部切换信号为低电平时，第一光耦11次边输出端C点的信号使得第一变换器1的PWM使能允许，同时第二光耦12次边输出端D点的信号使得第二变换器2的PWM使能禁止；反之，当外部切换信号为高电平时，第一光耦11次边输出端C点的信号使得变换器1的PWM使能禁止，同时第二光耦12次边输出端D点的信号使得第二变换器2的PWM使能允许，这样就实现了电源的切换。

实施例3

图5是另一种的远程接口处理单元工作原理图，该远程接口包括7个限流电阻和2个光耦，7个限流电阻分别是限流电阻R4、限流电阻R5、限流电阻R6、限流电阻R7、限流电阻R8、限流电阻R9和限流电阻R10，2个光耦分别是第三光耦13和第四光耦14，第三光耦13的二极管和第四光耦14的二极管串联，外部切换信号通过限流电阻R4连接到第一光耦11二极管的阳极，第四光耦14二极管的阴极接地，第一支路辅电M、第二支路辅电N分别通过限流电阻R5、限流电阻R8对应连接第三光耦13三极管的集电极、第四光耦14三极管的集电极，为第三光耦13的次边、第四光耦14的次边提供电力，第三光耦13三极管的集电极还与限流电阻R6连接后作为输出端E与第一变换器1的反馈控制使能端连接，第四光耦14三极管的集电极还与限流电阻R9连接后作为输出端F与第二变换器2的反馈控制使能端连接，第三光耦13三极管的发射极、第四光耦14三极管的发射极分别通过限流电阻R7、限流电阻R10接地。当外部启停信号SS为低电平时，第三光耦13次边输出端E点的信号使得第一变换器1的反馈控制使能禁止，同时第四光耦14次边输出端F点的信号使得第二变换器2的反馈控制使能禁止。反之，当外部启停信号SS为高电平时，第三光耦13次边输出端E点的信号使得第一变换器1的反馈控制使能允许，第四光耦14次边输出端F点的信号使得第二变换器2的反馈控制使能允许。其余同实施例2。

实施例4

如图6所示，一种直流双路输入的供电切换装置，该装置包括切换装置、第一供电支路、第二供电支路和接口控制单元，所述的切换装置由可切换的第一电路和第二电路连接同一变换器组成，所述的第一电路由开关K1和导线组成，所述的第二电路由开关K2和导线组成，开关K1连接第一供电支路3，从而通过第一供电支路3连接电源，开关K2连接第二供电支路4，从而通过第二供电支路连接燃料电池系统的供电输出端，开关K1和开关K2通过导线连接同一变换器1’，所述的变换器1’连接供气装置，开关K1和开关K2连接同一接口控制单元5，通过接口控制单元5控制开关K1和开关K2之间切换，使供气装置从电源取电或者从燃料电池系统取电。其余同实施例1。

实施例5

参见图6，一种直流双路输入的供电切换方法及实施该方法的装置，该装置与实施例4所示的装置比较，增加了信号处理单元，其中第一变电路的输出端和第二电路的输出端并联后连接同一变换器，该变换器通过信号处理单元与负载连接。其余同实施例4。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，而非对其限制。本领域的普通技术人员应用理解：依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明精神和范围。

Claims (10)

1.一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，该方法是由外部接口控制单元控制切换装置，对两路直流输入供电进行切换，使燃料电池供气装置从电源取电或者从燃料电池系统取电。

2.根据权利要求1所述的一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，所述的切换装置由两个可切换的变换器组成，或者由两个可切换的电路连接同一变换器组成。

3.根据权利要求2所述的一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，所述的变换器包括DCDC电源模块，变换器为由全桥、半桥、H桥、BUCK、BOOST中任一或组合所组成的拓朴电路结构。

4.根据权利要求2所述的一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，所述的变换器为隔离变换器或非隔离变换器。

5.根据权利要求1所述的一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，所述的接口控制单元包括分立元件、集成IC、数字微控制器或可编程逻辑单元，接口控制单元检测切换装置的状态，为远程设备提供切换装置状态信息。

6.根据权利要求1所述的一种直流双路输入的供电切换方法，其特征在于，所述的接口控制单元的电路为光耦隔离器件、电阻、电容、二极管之一或者其组合。

7.一种实施如权利要求1所述的直流双路输入的供电切换方法的装置，其特征在于，该装置包括切换装置、第一供电支路、第二供电支路和接口控制单元，所述的切换装置由可切换的第一变换器和第二变换器组成，所述的第一变换器的输入端通过第一供电支路连接电源，所述的第二变换器通过第二供电支路连接燃料电池系统的供电输出端，第一变换器的输出端与第二变换器的输出端并联后直接连接供气装置，或者通过信号处理单元连接供气装置，所述的接口控制单元分别连接第一变换器和第二变换器，接口控制单元根据外部信号控制策略，执行外部指令并控制可切换工作的第一变换器和第二变换器。

8.根据权利要求7所述的一种直流双路输入的供电切换装置，其特征在于，所述的信号处理单元为由电感、电容组成的滤波网络；或者由开关器件、二极管、电感、电容、电阻、传感器任一元件或其中任意组合所组成的处理单元；或者直接为一导体。

9.一种实施如权利要求1所述的直流双路输入的供电切换方法的装置，其特征在于，该装置包括切换装置、第一供电支路、第二供电支路和接口控制单元，所述的切换装置由可切换的第一电路和第二电路连接同一变换器组成，所述的第一电路的输入端通过第一供电支路连接电源，所述的第二电路通过第二供电支路连接燃料电池系统的供电输出端，第一电路的输出端与第二电路的输出端并联后连接变换器，所述的变换器连接供气装置，或者通过信号处理单元连接供气装置，所述的接口控制单元分别连接第一电路和第二电路，接口控制单元根据外部信号控制策略，执行外部指令并控制可切换工作的第一电路和第二电路。

10.根据权利要求9所述的一种直流双路输入的供电切换装置，其特征在于，所述的信号处理单元为由电感、电容组成的滤波网络；或者由开关器件、二极管、电感、电容、电阻、传感器任一元件或其中任意组合所组成的处理单元；或者直接为一导体。

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