CN102904444A

CN102904444A - 基于质子交换膜燃料电池的dc/dc变换和控制系统

Info

Publication number: CN102904444A
Application number: CN2012102792129A
Authority: CN
Inventors: 古云蛟; 朱新坚; 黄波; 曹弘飞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: CN102904444B

Abstract

本发明公开了一种基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，包括主电路模块和控制电路模块，主电路模块包括双级并联BUCK降压变换器，其输入端连接质子交换膜燃料电池的功率输出端，其输出端连接通信负载直接供电；控制电路模块包括DSP控制芯片，IGBT门极驱动电路单元、霍尔检测电路单元和输入模拟信号调节电路单元等。其中涉及的所有控制算法均通过DSP数字控制实现。本发明的系统适用于质子交换膜燃料电池这样的大电流输出功率设备的电力变换，并且可以降低成本，增加系统的可靠性；实现了质子交换膜燃料电池作为通信备用电源的电压实时匹配调节控制，并且采用全数字控制方式，具有精度高、反应快、能耗低等优点。

Description

基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统

技术领域

本发明属于通信备用电源技术领域，具体涉及一种基于质子交换膜燃料电池的通信备用电源的DC/DC变换和控制系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的装置。当源源不断的从外部向质子交换膜燃料电池供给氢气和氧气（或空气）时，它可以连续发电。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。近年来，采用燃料电池作为通信备用电源在全球部署逐渐起步，目前已有几千套在网运行。传统备用电源供电方案，如柴（汽）油发电机和蓄电池，都具有相当大的弊端，柴（汽）油发电机日常维护复杂、机组维护与维护技术要求高，与蓄电池类似，环境适应性差，并且都是重要的环境污染源，相比于传统备用电源供电方案，燃料电池备用电源具有适应恶劣工作环境、可靠性高、无污染、维护成本低等优点。

然而，由于燃料电池具有低电压大电流的输出电气特性，并且其U-I输出曲线偏软，因此若要采用燃料电池作为备用电源，就必须要对其输出进行DC-DC转换，以使得其输出电压与相应负载需求相匹配。目前，常用的DC-DC变换器按有无变压器分类可分为隔离型和非隔离性，其中非隔离性包括BUCK、BOOST、BUCKBOOST、CUK、SEPIC、ZETA等；隔离型包括正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式等。这些常用的DCDC转换器中比较适应大电流输入情况的很少，一般只有全桥式采用的较多，但由于全桥式对功率开关管采用的数量较多，并且电路中包含高频变压器，就使得变换器在成本方面大幅提高，并且增加了控制的复杂性，另外高频变压器的采用影响了变换器整机结构的紧凑型。

因此，提供一种结构简单紧凑、便于控制并且又适用于大电流输入情况的DC/DC变换器以解决现有技术之不足就显得十分重要。本发明就旨在提供一种达到以上各要求的DC/DC变换器的拓扑及控制方法，使得采用质子交换膜燃料电池作为通信备用电源更加可靠高效。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，以满足大电流输出特性的质子交换膜燃料电池的电压实时变换，适应通信负载电压需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，包括主电路模块和控制电路模块，所述主电路模块包括双级并联BUCK变换器，所述双级并联BUCK变换器设置在质子交换膜燃料电池和通信负载之间；所述控制电路模块包括DSP控制芯片、IGBT门极驱动电路单元、霍尔检测电路单元和输入模拟信号调节电路单元；所述IGBT门极驱动电路单元分别与所述DSP控制芯片的EV输出端口、PDPINT引脚以及所述双级并联BUCK变换器相连；所述霍尔检测电路单元一端连接在所述双级并联BUCK变换器的输出端与通信负载之间的电路上，另一端与所述输入模拟信号调节电路单元相连；所述输入模拟信号调节电路单元还与所述DSP控制芯片的ADC输入端口相连；所述霍尔检测电路单元采集所述双级并联BUCK变换器的电流电压信号，再通过输入模拟信号调节电路单元转化为DSP控制芯片所能采集的电压信号，所述DSP控制芯片将采集到的电压信号转化为控制信号传输给IGBT门极驱动电路单元，所述IGBT门极驱动电路单元通过PWM驱动芯片将该控制信号传输给所述双级并联BUCK变换器，从而实现电压的实时调节控制。

优选地，所述控制电路模块还包括温度传感电路单元和散热风扇驱动电路单元，所述温度传感器电路单元的一端与所述双级并联BUCK变换器相连，另一端与所述模拟信号调节电路单元相连；所述散热风扇驱动电路单元与所述DSP控制芯片相连；所述温度传感器电路单元采集到所述双级并联BUCK变换器的温度信号，再通过输入模拟信号调节电路单元转化为DSP控制芯片所能采集的电压信号，所述DSP控制芯片将采集到的该电压信号转化为控制信号传输到散热风扇驱动电路单元进行散热风扇转速控制，同时驱动散热风扇对所述双级并联BUCK变换器进行散热。

优选地，所述控制电路模块还包括与所述DSP控制芯片连接的RS232通信电路单元，所述DC/DC变换及控制系统通过所述RS232通信电路单元与上位机进行通信。

优选地，所述主电路模块还包括输入滤波电容C_IN和输出滤波电容C_OUT，所述输入滤波电容C_IN设置在所述双级并联BUCK变换器输入端与质子交换膜燃料电池输出端之间，所述输出滤波电容C_OUT设置在所述双级并联BUCK变换器输出端与负载之间。

优选地，所述双级并联BUCK变换器是由两个相同规格的第一BUCK变换器和第二BUCK变换器并联而成的。

优选地，所述质子交换膜燃料电池的输出电压范围为0～110V，输出电流范围为0～260A，输出额定功率为7KW。

优选地，所述第一BUCK变换器包括开关管T1，所述第二BUCK变换器包括开关管T2；所述DC/DC变换及控制系统采用的控制方法为：通过采集第一BUCK变换器的输出电压与设定输出电压值V_ref比较，经过DSP控制芯片实现PI控制算法，形成反馈控制回路，控制开关管T1的占空比d1，从而实现第一BUCK变换器输出电压的实时调节，与此同时采集第一BUCK变换器的输出电流信号，并以此作为第二BUCK变换器的输出电流信号的参考值，以设定输出电压V_ref作为第二BUCK变换器的输出电压的参考值，经过对输出电流电压的双闭环控制，对开关管T2的占空比d2进行调节，从而使得第一BUCK变换器、第二BUCK变换器的输出电压相等，同时实现了两个BUCK变换器的均流控制。

优选地，所述控制算法均通过DSP数字控制实现。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

（1）采用双级并联BUCK变换器作为主电路，能够很好地适应燃料电池的大电流输出特性，并且使得整个变换器的结构更加简单、紧凑，在相同功率级别的变换器中，能够有效地降低成本；

（2）控制电路部分基于DSP控制芯片，所有控制算法完全采用数字控制方式实现，不仅确保高精度，而且实时性极好，反应灵敏，减少了模拟器件的使用，降低了电路的复杂程度；

（3）对于双级并联BUCK变换器的控制方式，对第一BUCK变换器采用电压单闭环控制，对于第二BUCK变换器采用电压电流的双闭环控制，并且第二BUCK变换器的电流是以第一BUCK变换器的输出电流为参考值的，这种控制方式不仅能够实现输出电压的稳定调节，而且能够有效地实现两个变换器的均流控制；

（4）变换器的保护电路包括输入过欠压保护、限流保护、过温度保护，其中变换器的散热风扇的转速控制是随温度传感器采集的温度数据正相关的，尽可能的实现变换器的恒温工作，有效地降低了能耗，提高了整机的工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构模块的原理示意图，其中各实线箭头表示信号的流动方向；

图2是本发明的主电路双级并联BUCK电路的拓扑结构；

图3是本发明的控制方式原理图；

图4是本发明的控制程序主程序流程图；

图5是本发明的控制程序的周期中断子程序流程图；

图6是本发明的控制程序的下溢中断子程序流程图；

图7是本发明的控制程序的PDPINT中断子程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的基于质子交换膜燃料电池的通信备用电源DC/DC变换和控制系统，采用了双级BUCK并联的主电路和基于DSP控制芯片的数字控制电路。采用的质子交换膜燃料电池的输出电压范围为0～110V，输出电流范围为0～260A，输出额定功率为7KW。

本实施例的基于质子交换膜燃料电池的通信备用电源DC/DC变换和控制系统的原理示意图如图1所示，包括主电路模块和控制电路模块。

其中，主电路模块包括双级并联BUCK变换器，其拓扑结构么如图2所示，是将两个规格参数完全相同的第一BUCK变换器和第二BUCK变换器输入端和输出端各自并联而成的，第一、二BUCK变换器分别包括开关管T1、T2，二极管D1、D2，输出滤波电感L1、L2以及输出滤波电容C1、C2、C3、C4，其连接方式为：开关管T1、T2的漏极分别与质子交换膜燃料电池直流输出端正极连接，二极管D1、D2的阳极分别与质子交换膜燃料电池直流输出端负极连接、阴极分别与开关管T1、T2的源极对应相连，电感L1、L2分别对应连接在二极管D阴极和变换器输出端之间，滤波电容C1、C2、C3、C4分别对应连接在各自BUCK变换器输出端正负极之间，在第一、二BUCK变换器并联之后，在形成的双级并联BUCK变换器输入端与质子交换膜燃料电池输出端之间增加了输入滤波电容C_IN，在双级并联BUCK变换器输出端与负载连接之间加入了输出滤波电容C_OUT。

其中，控制电路模块如图1所示，主要包括DSP控制芯片、IGBT门极驱动电路单元、霍尔检测电路单元、输入模拟信号调节电路单元、温度传感电路单元、RS232通信电路单元、散热风扇驱动电路单元。其中IGBT门极驱动电路单元是通过PWM驱动芯片与DSP控制芯片事件管理器相关功能引脚连接，以实现开关管控制信号的放大，具备驱动IGBT的能力，另外PWM驱动芯片会引出一根信号线与DSP控制芯片的PDPINT引脚相连，实现相关的电路保护；霍尔检测电路单元主要是采集双级并联BUCK变换器的第一、二BUCK变换器各自的输出电压Vout以及第一BUCK变换器的输出电感电流I_L1；输入模拟信号调节电路单元主要是将输入输出的电流电压信号以及温度检测电路单元检测的温度信号转化为DSP控制芯片的ADC模块所能采集的电压信号；温度传感电路单元主要是采用温度传感器检测所述双级并联BUCK变换器中主要功率元器件的温度，包括开关管、二极管、滤波电感，以实现变换器过温度保护和作为散热风扇的转速控制的依据；RS232通信电路单元主要是基于DSP芯片的SCI通信模块，与上位机进行通信；散热风扇驱动电路单元主要是通过DSP芯片根据采集温度的大小，经过相应控制算法，给出PWM信号进行散热风扇转速控制，涉及的所有控制算法均通过DSP数字控制实现。

本实施例中，基于质子交换膜燃料电池的通信备用电源DC/DC变换及控制系统的控制电路的控制方式如图3所示，是通过采集第一BUCK变换器的输出电压V_out与设定输出电压值V_ref比较，经过DSP芯片实现PI控制算法，形成反馈控制回路，通过不断刷新DSP时间管理器EV中通用定时器T1的比较寄存器T1CMPR的值，实现开关管T1的占空比d1的控制，得到PWM1输出控制信号，从而实现第一BUCK变换器输出电压的实时调节；与此同时采集第一BUCK变换器的输出电流信号I_L1，并以此作为第二BUCK变换器的输出电流信号的参考值，以设定的输出电压V_ref作为第二BUCK变换器的输出电压的参考值，经过对输出电流电压的双闭环控制，通过刷新DSP时间管理器EV的通用定时器T2的比较寄存器T2CMPR的值，对开关管T2的占空比d2进行调节，得到PWM2输出控制信号，从而不仅使得两个BUCK变换器输出电压相等，而且实现了两个BUCK变换器的均流控制。

相应的程序流程图如图4～7所示，图4是控制程序的主程序，主要完成系统的初始化工作；图5是周期中断子程序，双级并联BUCK变换器的控制主要是由周期中断子程序实现的，为了使得控制精度更高，程序中采用了软启动和数字滤波的方法；图6和图7分别是下溢中断子程序和PDPINT中断子程序，变换器的保护功能均是由此两项程序的功能实现的，即当下溢中断子程序中发现有过欠压、过流、过温任何一项，就会使得PDPINT引脚置位低电平，如此PDPINT中断子程序就会使得T1PWM和T2PWM引脚置为高阻态，从而使变化器进入停机保护状态；下溢中断子程序中还实现了散热风扇的随温度变化转速相应增大或减小的随动控制。

Claims

1.一种基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，包括主电路模块和控制电路模块，其特征在于，所述主电路模块包括双级并联BUCK变换器，所述双级并联BUCK变换器设置在质子交换膜燃料电池和通信负载之间；所述控制电路模块包括DSP控制芯片、IGBT门极驱动电路单元、霍尔检测电路单元和输入模拟信号调节电路单元；所述IGBT门极驱动电路单元分别与所述DSP控制芯片的EV输出端口、PDPINT引脚以及所述双级并联BUCK变换器相连；所述霍尔检测电路单元一端连接在所述双级并联BUCK变换器的输出端与通信负载之间的电路上，另一端与所述输入模拟信号调节电路单元相连；所述输入模拟信号调节电路单元还与所述DSP控制芯片的ADC输入端口相连；所述霍尔检测电路单元采集所述双级并联BUCK变换器的电流电压信号，再通过输入模拟信号调节电路单元转化为DSP控制芯片所能采集的电压信号，所述DSP控制芯片将采集到的电压信号转化为控制信号传输给IGBT门极驱动电路单元，所述IGBT门极驱动电路单元通过PWM驱动芯片将该控制信号传输给所述双级并联BUCK变换器，从而实现电压的实时调节控制。

2.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述控制电路模块还包括温度传感电路单元和散热风扇驱动电路单元，所述温度传感器电路单元的一端与所述双级并联BUCK变换器相连，另一端与所述模拟信号调节电路单元相连；所述散热风扇驱动电路单元与所述DSP控制芯片相连；所述温度传感器电路单元采集到所述双级并联BUCK变换器的温度信号，再通过输入模拟信号调节电路单元转化为DSP控制芯片所能采集的电压信号，所述DSP控制芯片将采集到的该电压信号转化为控制信号传输到散热风扇驱动电路单元进行散热风扇转速控制，同时驱动散热风扇对所述双级并联BUCK变换器进行散热。

3.根据权利要求2所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述控制电路模块还包括与所述DSP控制芯片连接的RS232通信电路单元，所述DC/DC变换及控制系统通过所述RS232通信电路单元与上位机进行通信。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述主电路模块还包括输入滤波电容C_IN和输出滤波电容C_OUT，所述输入滤波电容C_IN设置在所述双级并联BUCK变换器输入端与质子交换膜燃料电池输出端之间，所述输出滤波电容C_OUT设置在所述双级并联BUCK变换器输出端与负载之间。

5.根据权利要求4所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述双级并联BUCK变换器是由两个相同规格的第一BUCK变换器和第二BUCK变换器2并联而成的。

6.根据权利要求5所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的输出电压范围为0～110V，输出电流范围为0～260A，输出额定功率为7KW。

7.根据权利要求5所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述第一BUCK变换器包括开关管T1，所述第二BUCK变换器包括开关管T2；所述DC/DC变换及控制系统采用的控制方法为：通过采集第一BUCK变换器的输出电压与设定输出电压值V_ref比较，经过DSP控制芯片实现PI控制算法，形成反馈控制回路，控制开关管T1的占空比d1，从而实现第一BUCK变换器输出电压的实时调节，与此同时采集第一BUCK变换器的输出电流信号，并以此作为第二BUCK变换器的输出电流信号的参考值，以设定输出电压V_ref作为第二BUCK变换器的输出电压的参考值，经过对输出电流电压的双闭环控制，对开关管T2的占空比d2进行调节，从而使得第一BUCK变换器、第二BUCK变换器的输出电压相等，同时实现了两个BUCK变换器的均流控制。

8.根据权利要求7所述的基于质子交换膜燃料电池的DC/DC变换和控制系统，其特征在于，所述控制算法均通过DSP数字控制实现。