CN103595255A - 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 - Google Patents

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中DC/DC变换的硬件控制系统，包括DC/DC变换器和反馈控制电路模块，所述的DC/DC变换器设置在质子交换膜燃料电池和通信负载之间，DC/DC变换器的PWM控制芯片上设有基准电压和基准电流，所述的反馈控制电路模块包括稳压模块、稳流模块及跟随模块，本发明达到实际对燃料电池活化的目的，同时起到将燃料电池性能最大化利用；避免了传统控制保护方式的频繁启动，使质子交换膜燃料电池寿命大大缩短的弊端，达到了质子交换膜燃料电池系统可靠性运行的目的，降低了整体质子交换膜燃料电池系统的设计成本。

Description

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

技术领域

本发明属于通信备用电源技术领域，尤其涉及基于质子交换膜燃料电池的通信备用电源的DC/DC变换器及其控制系统设计，特别针对一种适用于燃料电池大功率设备系统的控制设计。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有高效率、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。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。

因而对于质子交换膜燃料电池作为核心部件，应用在通信基站的备用电源系统上已成趋势。

质子交换膜燃料电池工作时，受周围环境影响较大，工作环境温度有在5～30°，也有工作环境温度范围在0～55°，不管是哪种质子交换膜燃料电池均有工作最佳温度点范围，一般在50℃左右，而工作温度超出最佳范围后，对于质子交换膜燃料电池的最大功率输出点、工作效率、寿命等都有一定影响；

湿度是质子交换膜燃料电池工作时非常重要的一个条件，只有在MEA上保持一定的湿度，氢氧才能通过质子交换膜发生电化学反应传输出电能，如果空气中的湿度较小，质子交换膜上比较干燥的话，只能传输部分电能，而使质子交换膜无法达到最佳工作状态，即不能满功率输出电能。

发明内容

根据以上背景可知：

1、质子交换膜燃料电池会受工作最佳温度点的影响，达不到最佳工作温度时，质子交换膜燃料电池的特性将达不到最佳输出功率点，只能降额使用，如果实际使用时需要输出大功率时，质子交换膜燃料电池控制器只有将其保护性关闭，而反复开关机对质子交换膜燃料电池寿命大大缩短；

2、质子交换膜燃料电池会受环境湿度影响，达不到质子交换膜所使用的环境度时，质子交换膜的输出电能将达不到额定输出功率，只能通过降额使用，如果需要提供足功率使用时，质子交换膜燃料电池控制器只有将其保护性关闭，使质子交换膜燃料电池不被损坏；

以上可知：质子交换膜燃料电池如果在起始启动工作的情况下，受工作环境及条件的影响，我们要求额定输出功率是不能完全满足的，而在实际使用中，为了正常使用质子交换膜燃料电池所发出来的电能，我们不得不增加一只备用蓄电池作为质子交换膜燃料电池工作前的补充，但质子交换膜燃料电池在工作时，由于输出额定功率不足，控制器起到保护作用，将输出关闭，燃料电池工作将中断，只能靠备用蓄电池弥补，当蓄电池电放至保护后，整个系统将停止工作，假设我们可以选择额定功率较大的燃料电池作为核心能量源，或者选择大容量蓄电池进行备用的话，那整体成本将大幅提高。

为解决以上技术问题，根据质子交换膜燃料电池此特性，通过在DC/DC变换器上设置反馈控制电路模块跟随调节负载电路，使输出功率平稳过渡到额定功率，保证整个过程中质子交换膜燃料电池的输出电压和输出电流保持在电池的保护点之上，避免质子交换膜燃料电池自身的保护性关闭，通过本发明不但可解决质子交换膜燃料电池在起始工作不能达到额定输出功率的难题，还可以进一步活化质子交换膜燃料电池，使质子交换膜燃料电池尽快达到额定输出功率，达到系统备用电源稳定可靠工作的目的。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种用于质子交换膜燃料电池备用电源系统中DC/DC变换的硬件控制系统，包括DC/DC变换器和反馈控制电路模块，所述的DC/DC变换器设置在质子交换膜燃料电池和通信负载之间，DC/DC变换器的PWM控制芯片上设有基准电压和基准电流，所述的反馈控制电路模块包括稳压模块1、稳流模块2及跟随模块3，其中：

所述稳压模块1与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电压Vout与基准电压之间的比较，通过PWM控制芯片将DC/DC变换器输出端电压Vout限制在设定范围内；

所述稳流模块（2）与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电流Iout与基准电流之间的比较，通过PWM控制芯片将DC/DC变换器输出端电压Vout限制在设定范围内；

所述跟随模块3与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电压Vout与DC/DC变换器输入端电压Vin之间的比较，通过PWM控制芯片平衡DC/DC变换器输出端电压Vout与DC/DC变换器输入端电压Vin。

本发明通过DC/DC变换器对质子交换膜燃料电池输出电流和电压的采集，与设定基准点进行比较，实时调节DC/DC变换器PWM宽度，限制输出功率，来达到质子交换膜燃料电池在系统中真正起到备用和活化的目的。

本发明的有益效果如下：

1、打破传统由质子交换膜燃料电池自身保护控制器来保护燃料电池的工作方式，通过关闭质子交换膜燃料电池工作达到保护目的；

2、通过控制DC/DC变换器输出功率跟随质子交换膜燃料电池输出功率，来保持质子交换膜燃料电池工作，使质子交换膜燃料电池达到活化目的；

3、DC/DC变换器直接控制，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、通过本发明能解决质子交换膜燃料电池工作中频繁启动对燃料电池寿命造成的伤害；

5、通过本发明能解决质子交换膜燃料电池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系统原理图；

图2为DC/DC变换器的隔离典型原理图；

图3为DC/DC变换器的PWM控制芯片及反馈控制电路模块部分控制原理图；

其中，1-稳压模块，2-稳流模块，3-跟随模块，Vout-DC/DC变换器输出端电压，Vin-DC/DC变换器输入端电压，Iout-DC/DC变换器输出端电流；

图4为DC/DC变换器控制流程图；

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行具体说明；

本发明主要针对现有质子交换膜燃料电池系统中DC/DC变换器电路的增加，来达到跟随质子交换膜燃料电池输出最低参考电压，保护质子交换膜燃料电池延长其使用寿命的目的；

图中列举一种质子交换膜燃料电池系统为例，其图1为质子交换膜燃料电池系统的原理图，该图主要由供气单元、电磁阀、质子交换膜燃料电池、DC/DC变换器、备用蓄电池、负载组成；其工作原理为：由供气单元供应氢气（即整个装置的能源），通过电磁阀控制在需要时供给氢气给质子交换膜燃料电池提供能源，质子交换膜燃料电池将氢气与空气中的氧气进行电化学反应转换成电能，该电能的电压由于随负载的变化而变化，不能稳定输出，所以采用DC/DC变换器将不稳定的输出电压转换成稳定的输出电压给负载供电；

图2为DC/DC变换器的隔离典型原理图，DC/DC变换器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，PWM控制芯片通过控制电路的设置，来实现稳定电压或电流的目的。

图3为控制电路中的部分电路，为DC/DC变换器的PWM控制芯片及反馈控制电路模块部分控制原理图，图中跟随模块为本发明硬件控制的关键，通过检测输入电压（即燃料电池电压）与输出电压Vout进行比较，如Vin小于Vout电压时，此跟随模块电路生效，该比较器输出高电平，通过调节PWM控制芯片的控制脚位电压，来调整PWM脉宽变窄，Vout电压降低，直至Vout比较电压与Vin比较电压相等，Vout电压受Vin电压牵制达到平衡状态，达到跟随Vin的目的。

此电路中通过比较器来控制PWM控制芯片（图中列举UC3879为例），IC1-1为稳压控制比较器，比较器负输入端为设定基准REF，一般为2.5-5V，比较器输入正端为采集Vout电压进行分压后得到比较电压，DC/DC变换器上电后，PWM控制芯片工作后，脉宽从窄到宽变化，Vout电压从低到高变化，当Vout比较电压低于REF，此IC1-1输出为低电平，隔离二极管不导通，不调节PWM宽度，当Vout比较电压大于等于REF时，使Vout稳定在REF和Vout比较电压上，达到稳压的目的；IC1-2为稳流控制比较器，其工作原理与稳压控制比较器一样，如果输出电流比较电压大于等于REF时，此时IC1-2输出为高电平，隔离二极管导通，调节PWM宽度，达到稳流的目的；重点介绍IC2-1比较器的作用，即跟随Vin电压调节Vout的工作原理：由图1可知，由于FC Vout直接与图2的Vin相连，以下简称为FC Vout，IC2-1正输入端为Vout比较电压点V1，通过分压电阻R1、R2得到，设置电压一般为2.5-5V中的某个值，公式为：V1=Vout*R2/(R1+R2)，此V2作为基准电压作参考，IC2-1负输入端为FC Vout比较电压点V2，公式为：V2=FC Vout*R4/(R3+R4),当IC2-1正输入端比较电压V1小于负输入端V2时，IC2-1输出低电平，隔离二极管不导通，PWM不受IC2-1进行调整脉宽，当V1大于等于V2时，IC2-1输出高电平，通过隔离二极管，调节PWM使Vout电压降低，而由稳流比较器电流已设定，由P=U*I（即DC/DC变换器的输出功率=Vout*Iout）可知，Vout电压下降，所以此时输出功率随之降低，来达到输入功率跟随的目的。

本发明达到实际对燃料电池活化的目的，同时起到将燃料电池性能最大化利用；避免了传统控制保护方式的频繁启动，使质子交换膜燃料电池寿命大大缩短的弊端，达到了质子交换膜燃料电池系统可靠性运行的目的，降低了整体质子交换膜燃料电池系统的设计成本。

Claims (4)

1.一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：包括DC/DC变换器和反馈控制电路模块，所述的DC/DC变换器设置在质子交换膜燃料电池和通信负载之间，DC/DC变换器的PWM控制芯片上设有基准电压和基准电流，所述的反馈控制电路模块包括稳压模块（1）、稳流模块（2）及跟随模块（3），其中，

所述稳压模块（1）与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电压（Vout）与基准电压之间的比较，通过PWM控制芯片将DC/DC变换器输出端电压（Vout）限制在设定范围内；

所述稳流模块（2）与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电流（Iout）与基准电流之间的比较，通过PWM控制芯片将DC/DC变换器输出端电压（Vout）限制在设定范围内；

所述跟随模块（3）与PWM控制芯片相连，其基于DC/DC变换器输出端电压（Vout）与DC/DC变换器输入端电压（Vin）之间的比较，通过PWM控制芯片平衡DC/DC变换器输出端电压（Vout）与DC/DC变换器输入端电压（Vin）。

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中DC/DC变换的硬件控制系统，其特征在于：所述的DC/DC变换器由输入滤波电路、高频逆变电路、隔离变换电路、整流滤波电路及PWM控制芯片组成。

3.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控制芯片或UC3846控制芯片，所述稳压模块（1）、稳流模块（2）、跟随模块（3）中采用的比较器均为LM358。

4.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：在所述输出稳压模块（1）中采用经分压的DC/DC变换器输出端电压（Vout）与基准电压比较；在所述输出稳流模块（2）中采用经分流的DC/DC变换器输出端电压（Iout）与基准电流比较；在所述跟随模块（3）中，采用经分压的DC/DC变换器输出端电压（Vout）与经分压的DC/DC变换器输入端电压（Vin）比较。

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