CN103595096A - 一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的dc/dc变换及控制系统 - Google Patents

一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的dc/dc变换及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，包括主电路回路和控制回路，所述的主电路回路包括供气单元、气路控制电磁阀、质子交换膜燃料电池、DC/DC变换器的DC/DC变换电路及备用蓄电池；控制回路包括PLC采集控制器、DC/DC变换器的通讯模块及MCU电路，所述的通讯模块用于实现PLC采集控制器及MCU电路之间的通讯，所述的MCU电路与负载电路及DC/DC变换器连接，用于采集DC/DC变换器的输出电压及输出电流并将其通过通讯模块发送给PLC采集控制器，接收PLC采集控制器的处理信息并据此调节DC/DC变换器的PWM芯片。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池应用技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池通信备用电源系统的设计，特别针对质子交换膜燃料电池通信备用电源系统中DC/DC变换器的设计及控制。
背景技术
质子交换膜燃料电池（以下简称FC）具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题，因而对于FC作为核心部件，应用在各行业的备用电源系统上以成趋势，随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。
FC备用电源系统在工作时，由于FC从接到开机信号到正常工作需要一定时间，要达到系统无缝切换的目的，我们通常采用外接备用蓄电池，在切换过程中起到应急的关键作用，而此备用蓄电池容量又不能选择太大，主要受到成本、体积影响，如果选择太大，就失去FC备用电源系统的作用；
FC工作时，受周围环境影响较大，FC工作温度点在50℃左右最为理想，此时FC输出功率能力最强，而工作温度超出最佳范围后，对于FC的最大功率输出点、工作效率、寿命等都有一定影响，温度偏差越大影响也就越大；
湿度是FC工作时非常重要的一个条件，只有在质子交换膜（简称MEA）上保持一定的湿度，氢氧才能通过MEA发生电化学反应传输出电能，如果空气中的湿度较小，MEA上比较干燥，MEA传输电能将受到影响，而使MEA无法达到最佳工作状态，即达不到将最优工作状态发挥出来，MEA只有带载工作时，自身能产生水分，也就是自己能够增加湿度，而没达到最佳湿度时输出功率无法达到最佳点。
FC通常通过保护控制器来对FC进行性能检测，主要检测方式是通过监测输出电压，判断如果输出电压低至FC最低工作电压时，将FC关闭，来保护FC的超负荷运行。
发明内容
根据以上背景可知：
1、FC会受工作最佳温度点的影响，达不到最佳工作温度时，FC将达不到最佳输出功率点，只能降额使用，如果实际输出负载需要FC输出应该输出的额定功率时，FC保护控制器只有将其保护性关闭，此时如出现反复开关机，将对FC寿命受到较大影响；
2、FC会受环境湿度影响，起始工作是达不到MEA所使用的环境湿度的，FC将达不到最佳输出功率点，只能通过降额使用，如果实际输出负载需要FC输出应该输出的额定功率时，FC保护控制器只有将其保护性关闭；
以上可知：FC如果在起始启动工作的情况下，受工作环境影响，工作温度和湿度均不能完全满足，但FC在起始工作时，由于不是工作在最佳功率点上，只有保护控制器起到保护作用，将FC输出关闭，FC工作将中断，只能靠备用蓄电池弥补，直至备用蓄电池放电至保护后，整个系统将停止工作。
根据FC起始工作时，温度、湿度不能达到最佳工作点；FC在带负载工作时自身能发热（加温）产生水（自加湿）；通信用高频开关电源具有电压调节功能（依据YD/T731-2008通信用高频开关整流器中的4.3可知）这些特点，为解决以上技术问题，根据FC此特性，通过在主电路回路上设置可反馈控制的控制回路跟随调节负载电路，使输出功率平稳过渡到额定功率，保证整个过程中FC的输出电压和输出电流保持在FC的保护点之上，避免FC自身通过FC保护控制器频繁的保护性关闭对FC的伤害，通过本发明可解决FC在起始工作不能达到额定输出功率的难题，通过PLC采集控制器（以下简称PLC）和MCU电路检测FC最低电压对DC/DC变换器控制来实时跟随FC功率的方式，使FC连续工作，促使达到FC最佳工作温度和湿度起到活化FC的作用，同时保证了FC备用电源系统稳定可靠工作。
为实现本发明目的的具体技术方案如下：
一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，包括主电路回路和控制回路，
所述的主电路回路包括供气单元、气路控制电磁阀、质子交换膜燃料电池、DC/DC变换器的DC/DC变换电路及备用蓄电池；
控制回路包括PLC采集控制器、DC/DC变换器的通讯模块及MCU电路，
所述的通讯模块用于实现PLC采集控制器及MCU电路之间的通讯，
所述的MCU电路与负载电路及DC/DC变换器连接，用于采集DC/DC变换器的输出电压Vout及输出电流Iout（即负载电压和负载电流）并将其通过通讯模块发送给PLC采集控制器，接收PLC采集控制器的处理信息并据此调节DC/DC变换器的PWM芯片，
所述的PLC采集控制器由备用蓄电池供电，与质子交换膜燃料电池相连接，其设有电压跟随调节模块，
所述的电压跟随调节模块用于根据DC/DC变换器的输入电压（FC输出电压）和DC/DC变换器的输出电压Vout的比较结果向PWM芯片发送调节指令以此调节DC/DC变换器的输出电压Vout，至DC/DC变换器的输出电压Vout为FC的最低工作电压且备用蓄电池的输出电流为零时为止。
所述PLC采集控制器还可设有启动控制模块及中断告警模块，
所述的启动控制模块用于控制DC/DC变换器、中断告警模块及FC的启动和关闭，具体如下：
当FC的输出电压小于保护电压时，FC自动关闭，启动中断告警模块，
当FC的输出电压大于保护电压时，FC启动，关闭中断告警模块，启动DC/DC变换器，
所述的中断告警模块用于检测FC的启动次数，若启动次数超过设定值则关闭FC。
所述电压跟随调节模块可利用PID判定FC电压对DC/DC变换器的输出电压Vout进行跟随调节。
所述的中断告警模块的启动次数的可设定值为3次。
所述启动时的保护电压可以为额定电压的70%。
所述的DC/DC变换器的DC/DC变换电路可以由输入滤波电路、高频逆变电路、隔离变换电路、整流滤波电路及PWM芯片组成。
所述PWM控制芯片可以为UC3879控制芯片、UC3845控制芯片、LT494控制芯片或UC3846控制芯片等具有PWM控制功能的芯片。
本发明的有益效果如下：
1、打破传统由FC保护控制器通过关闭FC工作，来达到保护燃料电池超负荷运行的目的；
2、通过控制DC/DC变换器输出功率跟随FC输出功率，来保持FC的连续工作，使FC达到活化目的；
3、软硬件联调方式，实时性极好，反应灵敏，减少了其他部件的使用，降低了电路的复杂性，确保系统高可靠性；
4、通过本发明能解决FC工作中频繁启动对燃料电池寿命造成的伤害；
5、通过本发明能解决FC在未到达额定功率时，整个系统不受断电造成影响，大大提高了系统的安全可靠性。
附图说明
图1为质子交换膜燃料电池通信备用电源系统原理图；
图2为DC/DC变换器典型原理框图；
图3为DC/DC变换器逻辑原理图；
图4为质子交换膜燃料电池备用电源系统控制流程图；
图5为质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程图；其中：
1为质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分，
2为质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程，
3质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程的电压判断流程，
4质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程的蓄电池电流判断流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为质子交换膜燃料电池通信备用电源系统框图，主要有供气单元、气路控制电磁阀、FC、FC控制器、DC/DC变换器（以下简称1）、备用蓄电池和系统控制用的PLC或单片机采集控制器组成；供气单元主要是给FC提供能量的部分，气路控制电磁阀主要是对FC是否供气的一个控制部件；FC和控制器主要是将供应的能量转换成电能输出；而质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1是将FC输出的电能转换成稳定的电能输出给负载使用；备用蓄电池在系统中起到使FC启动过程中不断电的功能；系统控制用的PLC主要是采集整个系统中各相关数据，并实时分析作出相应控制的一个关键部件
图2为质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1的隔离典型原理图，质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1的原理电路使用类型目前市面上很多，大分类可按隔离和非隔离分两类，小分类可按电路类型为：Boost、Buck、Buck-Boost、Flyback、Forward等，在此不一一例举，重点介绍图2工作原理：电路主要由输入滤波电路、高频逆变电路、隔离变换电路、整流滤波电路和反馈控制电路模块组成，输入整流滤波电路将输入电压整定为直流电并进行杂波滤除后，给高频逆变电路将直流电转化成高频交流电，通过隔离变换电路转化成所需高频交流电，再通过整流滤波成稳定直流电，此高频转化电路通过PWM控制芯片调节脉宽达到能量传递平衡的目的，而PWM控制芯片通过MCU控制电路的设置，以稳压优先并具备限流功能，同时该质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1具有通讯功能，通讯功能主要是PLC与质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1的MCU之间传输数据的作用，图3为图2的一个控制原理图，其通过通讯功能来将质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1的输入输出参数实时与PLC进行交换，通过PLC采集FC输出电压，设定PID的参数对质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1输出电压进行实时调节，达到预期采集受控的目的；
本发明的图4为质子交换膜燃料电池备用电源系统控制流程图，在PLC通电后到整个执行结束的整个流程控制，其中质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程2为本发明中的关键点，即软件在控制时的判断子流程，由此图5进行细化说明：当执行启动FC后，PLC开始执行判断子流程，当启动FC后，当FC电压大于等于额定工作电压70%-100%时开始启动1（其主要目的为保证质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1工作后确保FC能提供输出功率给负载供电），如果偏离该电压为FC故障，FC将重新启动，如发现启动3次还是故障，FC将进入中断告警流程（此流程中FC启动3次后保护是为了防止FC在频繁启动中对FC造成寿命影响），质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1工作判断FC输出电压是否大于等于最低工作电压的设定点即为质子交换膜燃料电池备用电源系统判断子流程的电压判断流程3，假设质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1输出功率大于FC所提供的功率，此时FC电压下降，至FC最低工作电压设定点时，通过PLC设定的PID调节质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1输出电压（即输出功率），使质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1输出功率与FC输出功率相平衡，直至FC输出电压大于等于设定点时，进入对备用蓄电池的电流判断子流程4中，当蓄电池电流大于零电流时，说明此时FC还未完全满足输出负载功率，同理通过PLC进行PID继续调节质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1输出电压（降低输出功率），直至蓄电池输出电流等于零时，完全由FC输出功率通过质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换器部分1对输出负载稳定供电，此时FC达到活化的目的，同时起到将FC性能最大化利用，避免了传统保护控制方式的FC频繁启动，使FC寿命大大缩短的弊端，达到了FC系统可靠性运行的目的，降低了整体质子交换膜燃料电池备用电源系统的设计成本。

Claims (7)

1.一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：包括主电路回路和控制回路，
所述的主电路回路包括供气单元、气路控制电磁阀、质子交换膜燃料电池、DC/DC变换器的DC/DC变换电路及备用蓄电池；
控制回路包括PLC采集控制器、DC/DC变换器的通讯模块及MCU电路，所述的通讯模块用于实现PLC采集控制器及MCU电路之间的通讯，
所述的MCU电路与负载电路及DC/DC变换器连接，用于采集DC/DC变换器的输出电压（Vout）及输出电流（Iout）并将其通过通讯模块发送给PLC采集控制器，接收PLC采集控制器的处理信息并据此调节DC/DC变换器的PWM芯片，
所述的PLC采集控制器由备用蓄电池供电，与质子交换膜燃料电池相连接，其设有电压跟随调节模块，
所述的电压跟随调节模块用于根据DC/DC变换器的输入电压和DC/DC变换器的输出电压（Vout）的比较结果向PWM芯片发送调节指令以此调节DC/DC变换器的输出电压（Vout），至DC/DC变换器的输出电压（Vout）为质子交换膜燃料电池的最低工作电压且备用蓄电池的输出电流为零时为止。
2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：所述PLC采集控制器还设有启动控制模块及中断告警模块，
所述的启动控制模块用于控制DC/DC变换器、中断告警模块及质子交换膜燃料电池的启动和关闭，具体如下：
当质子交换膜燃料电池的输出电压小于保护电压时，质子交换膜燃料电池自动关闭，启动中断告警模块，
当质子交换膜燃料电池的输出电压大于保护电压时，质子交换膜燃料电池启动，关闭中断告警模块，启动DC/DC变换器，
所述的中断告警模块用于检测质子交换膜燃料电池的启动次数，若启动次数超过设定值则关闭质子交换膜燃料电池。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：所述电压跟随调节模块利用PID判定质子交换膜燃料电池电压对DC/DC变换器的输出电压（Vout）进行跟随调节。
4.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：所述的中断告警模块的启动次数的设定值为3次。
5.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：所述启动时的保护电压为额定电压的70%。
6.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统的DC/DC变换及控制系统，其特征在于：所述的DC/DC变换器的DC/DC变换电路由输入滤波电路、高频逆变电路、隔离变换电路、整流滤波电路及PWM芯片组成。
7.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换的硬件控制系统，其特征在于：所述PWM控制芯片为UC3879控制芯片、UC3845控制芯片、LT494控制芯片或UC3846控制芯片。
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