CN103683349A

CN103683349A - 一种备用稳压氢能电源系统

Info

Publication number: CN103683349A
Application number: CN201210337241.6A
Authority: CN
Inventors: 胡磊; 高勇
Original assignee: SHANGHAI EVERPOWER TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: Qingdao Hanhe hydrogen energy equipment Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN103683349B

Abstract

本发明涉及一种备用稳压氢能电源系统，该电源系统接在储能单元及负载上，包括氢能电池和DCDC功率变换装置，所述的DCDC功率变换装置包括相互连接的DC/DC变换器和控制模块，所述的DC/DC变换器接在氢能电池和储能单元及负载之间，所述控制模块包括控制器以及分别与控制器连接的电压设定单元、电流设定单元和电压变化控制单元，所述电源系统通过控制模块实现自动调整输出功率，自动适应负载需求，从而解决因储能单元充放电而导致的电压上升和降低。与现有技术相比，本发明具有电压输出稳定、能源利用率高等优点。

Description

一种备用稳压氢能电源系统

技术领域

本发明涉及一种电能变换技术，尤其是涉及一种备用稳压氢能电源系统。

背景技术

根据经济学家和科学家的普遍估计，经过百年左右的时间，石油资源将会开采殆尽，届时其价格将会提升至不适于大众化普及应用的高度，因此各国都在积极寻找新的替代能源，氢能电源是可能的选择之一。氢能电源通过电化学反应将化学能转换为电能，具有以下优点：(1)能量转化效率高；(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放低；(3)适用范围广；(4)扩展灵活；(5)负荷响应快，运行质量高。应用氢能电源取代现有产品作为备用电源，是氢能电源除车载电源之外的主要应用领域。国外由于对氢能电源技术研发开展的较早，因此氢能电源应用于备电已经逐步进入商业化。

图1是一个应用氢能电源作为备用电源的总体框图，其中氢能电源6作为备用电源，与整流充电器1一起工作，保证系统在电网5供电正常和不正常的情况下都能给储能单元3和负载4正常供电。图2为电网供电正常时的状态，粗线代表工作的部分，即整流充电器1工作，氢能电源6部分不提供电能。图3为电网供电不正常的状态。粗线代表工作的部分，即氢能电源提供电能，而整流充电器不工作。

在图1的框图中包含了一个DCDC变换装置2，一个传统的DCDC变换装置如图4所示。在这个框图中，DCDC变换装置的主要包括三个部分：

1)DCDC功率变换器21，包含功率器件，如具有开关特性的功率开关管、功率二极管、电容、电感等，其中功率开关管通过PWM(脉宽调制)信号进行控制；

2)设定与反馈比较单元，是将输出电压和/或输出电流等参数反馈并与设定进行比较的环节。图4中电压设定单元24与电压反馈值进行比较，电流设定单元23与电流反馈值进行比较；；

3)DCDC控制器22，产生PWM信号的部分，通常将反馈比较的结果通过一定的补偿环节进行调节并产生需要的PWM信号，对于带有储能单元负载的DCDC变换器来说，需要具有恒流和恒压浮充的特性，即在电压达到浮充电压之前，需要限制充电电流为恒定值，随着充电进行电压升高，达到浮充电压后，需要减小充电电流而保持充电电压恒定。

图5为氢能电源工作时电压与功率关系。其中，P_o是氢能电源输出的功率，P_L是负载功率，P_B是电池充电功率，不考虑损耗的情况下，它们存在关系P_o＝P_B+P_L：

P_o＞P_L时，P_B＞0，电池充电，电压随着充电上升；

P_o＜P_L时，P_B＜0，电池放电，电压随着放电而下降。

在以上两种情况下，都存在两个问题：

1)电压随着充电上升或者随着放电下降，都存在变化，不稳定；

2)氢能电池输出与负载输入不匹配。

氢能电源输出功率大于负载需要功率时部分能量给电池充电，因为相对于电网供电来说氢能电池供电的成本高，所以给电池充电应该在电网恢复供电后进行，在备用阶段通过氢能电源充电会造成浪费；

另一方面，氢能电源输出低于负载需要功率时，电池放电，有可能造成电压过低而保护。

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电压输出稳定、能源利用率高的备用氢能电源系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种备用稳压氢能电源系统，该电源系统接在储能单元及负载上，其特征在于，包括氢能电池和DCDC功率变换装置，所述的DCDC功率变换装置包括相互连接的DC/DC变换器和控制模块，所述的DC/DC变换器接在氢能电池和储能单元及负载之间，所述控制模块包括控制器以及分别与控制器连接的电压设定单元、电流设定单元和电压变化控制单元，所述电源系统通过控制模块实现自动调整输出功率，自动适应负载需求，从而解决因储能单元充放电而导致的电压上升和降低。

所述控制器控制DCDC变换器，使其具有恒流恒压输出特性。

所述的电压设定单元设定恒压输出时的电压值，其与DCDC变换器的输出电压进行比较后得到电压误差信号，电压误差信号送入控制器。

所述的电流设定单元设定恒流输出时的电流值，所述的电压变化控制单元检测电压变化率并进行控制调节得到电流设定调整信号，所述电流设定单元、电压变化控制单元的输出与DCDC变换器的输出电流进行比较后得到电流误差信号，电流误差信号送入控制器。

由前面的说明已经知道，在恒流状态下，输出电压的变化是由电池的充放电状态决定的：

P_o＞P_L时，P_B＞0，电池充电，电压随着充电上升；

P_o＜P_L时，P_B＜0，电池放电，电压随着放电而下降。

所述的电压变化控制单元根据以上关系，通过检测电压的上升或者下降状态来判断电池是在进行充电或者放电，并由此调节输出电流设定，改变控制器PWM信号，最终调节输出电流，使得电池处于不进行充放电的平衡状态。达到平衡状态时，输出电压保持稳定。

例如，如果电压变化控制单元检测到当前电压高于上次检测电压，说明输出功率大于负载功率，电池在充电状态，此时电压变化控制单元将减小电流设定值并通过控制器调节PWM信号，使得输出电流减小到改变后的设定值，电池的充电电流减小；

反之，如果电压变化控制单元检测到当前电压低于上次检测电压，说明输出功率小于负载功率，电池在放电状态，此时电压变化控制单元将增加电流设定值并通过控制器调节PWM信号，使得输出电流增加到改变后的设定值，电池的放电电流减小；

如果电压变化控制单元检测到当前电压与上次检测电压相等，则说明输出功率与负载功率匹配，此时电压变化控制单元将保持电流设定值，功率变换器也将保持当前状态。

在实际的实施例中，以上过程都是处在一个连续动态的调节过程当中。通过调节，氢能备用系统的稳定输出状态为输出功率与负载功率匹配。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)输出电压保持稳定；

2)氢能电池输出与负载输入相匹配，因此在备电阶段氢能电源不会浪费大量氢能用于给储能单元充电。

附图说明

图1为现有的备用氢能电源总体框图；

图2为现有的备用氢能电源电网供电正常时状态图；

图3为现有的备用氢能电源电网供电不正常时状态图；

图4为现有的备用氢能电源的DCDC功率变换装置结构示意图；

图5为现有的备用氢能电源工作时电压与功率关系图；

图6为本发明的备用氢能电源的DCDC功率变换装置结构示意图；

图7为本发明实施例1的结构示意图。

图8为本发明实施例2的结构示意图。

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

如图7所示，一种稳压控制的备用氢能电源系统，所述的备用氢能电源系统包括电网、整流充电器、氢能电池、DCDC功率转换装置、储能单元和负载，所述的DCDC功率装换装置包括DCDC变换器21和控制模块。

所述的DC/DC变换器21接在氢能电池和储能单元及负载之间，所述控制模块包括控制器22、电流设定单元23、电压设定单元24和电压变化控制单元25。备用稳压氢能电源系统具有自动调整输出功率的功能，使得系统输出尽量适应负载需求，避免因储能单元充放电而导致的电压上升和降低。所述控制器22具有用于储能单元充电的恒流恒压特性，产生的控制信号连接到DCDC变换器，使得DCDC变换器具有恒流恒压输出特性。

所述的电压设定单元24设定恒压输出时的电压值V_ref，其输出连接到第一比较器的正输入端，DCDC变换器的输出电压V_f连接到第一比较器的负输入端，第一比较器输出电压误差信号V_e送入所述控制器，其中V_e＝V_ref-V_f。

所述的电流设定单元设定恒流输出时的电流值I_ref，所述的电压变化控制单元检测电压变化率并进行控制调节得到电流设定调整信号I_c，所述电流设定单元I_ref、电压变化控制单元的输出I_c与DCDC变换器的输出电流I_f分别连接到第二比较器的第一正输入端、第二正输入端和负输入端，第二比较器输出电流误差信号I_e送入所述控制器，其中I_e＝I_ref+I_c-I_f。

所述的电压变化控制单元包括延时单元26、反馈补偿单元27、限幅单元28与第三比较器。所述的DC/DC转换器21输出端分别与延时单元26输入端、第三比较器负输入端V₀连接，所述的延时单元26输出端V₁与第三比较器正输入端连接，所述的第三比较器输出端、反馈补偿单元27、限幅单元28依次连接，所述的限幅单元28输出端与第二比较器的第二正输入端连接。

所述的延时单元26和第三比较器的作用是比较当前输出电压V₀与延时之前的输出电压V₁的差别，以判断电压变化的趋势，从而得到调整电流设置所需要的误差信号I_el。

第三比较器的输出I_el与反馈补偿单元27连接，作为反馈补偿单元27输入，反馈补偿单元27将第三比较器输出的差值I_el通过补偿网络进行调节得到调节量I_c′。

所述的限幅单元28的作用是保证实际输出电流不高于恒流电流限制，也就是说所设计的变换器输出电流不会高于电流设定单元23的设置值I_ref，避免了超过氢能电源功率限制的危险；同时最小值限制的作用为保证输出电流不会反向流入氢能电源。其限幅逻辑为：如果I_c′＞0，I_c限制为0；如果I_c′＜最低电压限制值，则I_c限制为最低电压限制值。

储能单元储能单元

储能单元工作原理如下：

1)如果电压在往上升，即I_el＜0，此时表示储能单元被充电，需要减少输出功率。由框图所示，通过比较及补偿后得到，调节量I_c将变小，也就将导致最终输出向变小的趋势；

2)反之，如果电压在往下降，即I_el＞0，调节量I_c将变大，也就将导致最终输出向变大的趋势。

3)如果I_el＝0，则表示V₁＝V₀，输出电压稳定，储能单元未被充放电。

实施例2

如图8所示，DC/DC转换器21输入为氢能电源，其电压变化范围为60V～100V，输出为储能单元和负载，储能单元的正常浮充电压为53.5V，负载平均电流为20A。DC/DC转换器21采用BUCK电路，其功率开关管为功率场效应晶体管，由控制器22产生PWM信号控制，PWM信号经过驱动电路再连接至功率开关管的门极，控制场效应管的开通与关断。

为了实现发明的内容，使用了一个微处理器(MCU)，大部分功能都在MCU内实现。

首先，输出电压经过分压后得到一个MCU可以采样的信号，信号由模数转换ADC得到V₀，同时V₀的值被保存备用。

然后，上一个周期ADC得到并保存的值V₁与V₀相减，得到误差I_el。

接下来，I_el作为输入，经过PID控制环节后，得到调节量I_c′。

调节量I_c被限制在-20/k_DAC至0之间，其中k_DAC为数模转换DAC时的比例系数。通过这个限制，恒流状态时输出电流的实际范围为0A至20A之间。

实施例中的控制器22与常规的具有恒压和恒流多阶段储能单元充电控制器一致。DCDC功率变换装置的最终输出电流跟踪负载电流需求，电压自动调整到与储能单元在非充放状态的电压一致。因此，即使储能单元的初始状态不同，所发明的系统都能避免对储能单元的充放电。

Claims

1.一种备用稳压氢能电源系统，该电源系统接在储能单元及负载上，其特征在于，包括氢能电池和DCDC功率变换装置，所述的DCDC功率变换装置包括相互连接的DC/DC变换器和控制模块，所述的DC/DC变换器接在氢能电池和储能单元及负载之间，所述控制模块包括控制器以及分别与控制器连接的电压设定单元、电流设定单元和电压变化控制单元，所述电源系统通过控制模块实现自动调整输出功率，自动适应负载需求，从而解决因储能单元充放电而导致的电压上升和降低。

2.根据权利要求1所述的一种备用稳压氢能电源系统，其特征在于，所述控制器控制DCDC变换器，使其具有恒流恒压输出特性。

3.根据权利要求1所述的一种备用稳压氢能电源系统，其特征在于，所述的电压设定单元设定恒压输出时的电压值，其与DCDC变换器的输出电压进行比较后得到电压误差信号，电压误差信号送入控制器。

4.根据权利要求1所述的一种备用稳压氢能电源系统，其特征在于，所述的电流设定单元设定恒流输出时的电流值，所述的电压变化控制单元检测电压变化率并进行控制调节得到电流设定调整信号，所述电流设定单元、电压变化控制单元的输出与DCDC变换器的输出电流进行比较后得到电流误差信号，电流误差信号送入控制器。