CN104508965A - 用于源保护的dc/dc功率转换器控制策略 - Google Patents

用于源保护的dc/dc功率转换器控制策略 Download PDF

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Abstract

DC/DC转换器(10a)的控制器(11a)，响应于燃料电池发电站(13)的功率输出，在控制策略下进行操作，该控制策略确定燃料电池电压是否超过限制，并且如果是，倘若燃料电池输出电流和DC/DC转换器输出电流都不过剩，引起DC/DC转换器占空比中的增加，从而增加从燃料电池堆所要求的功率。这消除了对常规的电压限制的需求以保护燃料电池免受腐蚀。说明了数字控制环路和状态机。

Description

用于源保护的DC/DC功率转换器控制策略
技术领域
一种DC/DC功率转换器控制策略包括响应于临界参数(诸如DC功率源(诸如燃料电池)的输出电压)来以一种方式变更转换器输出，该方式a)趋于使临界参数的值低于限制值，b)但是可以驱使该源的或该转换器的另一个临界参数低于限制值。
背景技术
DC/DC功率转换器被用在各种功率系统中，该功率系统诸如是燃料电池/蓄电池混合动力推进系统，其当前使用在运营公共汽车中。DC/DC功率转换器可以是升压型，如果所期望的输出电压比可用的输入电压高的话，或者其可以是降压型，如果所期望的输出电压比可用的输入电压低的话。DC/DC转换器也可以是双向的，允许在两个方向上的功率流，或者其可以是单边的，允许仅在一个方向上的功率流。
与燃料电池堆相关联的典型现有技术DC/DC转换器是由系统控制的，该系统通常是数字的，其充分地控制转换器输入电流(其是例如燃料电池堆的DC功率源的输出电流)和转换器输出电流和电压。然而，现有的策略对于管理DC功率源输出电压约束尚不是有效的。燃料电池具有单调的电压/电流性能曲线关系。在低输出功率下，每个电池的电压可能变得足够高，以引起阴极和阳极催化剂和碳催化剂载体的腐蚀。这种腐蚀引起燃料电池的性能中的永久衰减。
迄今为止，对由于在高电池电压下催化剂和载体腐蚀而引起的燃料电池性能衰减的预防，通常已经借助于电压限制设备(VLD)来预防，该电压限制设备(VLD)例如是辅助电阻性负载，其被促使为通过借助于由脉冲宽度调制(PWM)信号所控制的电子开关将其切入或切出电路而有效地成为可变负载。
参照图1中，DC/DC转换器10(在此情况下是单向的，并且最可能是升压变换器)被示为在提供功率至负载16的燃料电池发电站系统15中通过线路12从燃料电池堆13接收功率。负载16可以包括电动或混合动力车辆中的电动马达，或者可以包括由固定的燃料电池发电站所服务的任何数量的负载，诸如电话交换台、医院、或需要峰值功率辅助的配电系统。
在图1中，电阻性辅助负载29借助于由PWM信号所控制的电子开关30被选择性地切入和切出电路，该PWM信号处于由VLD控制器34所提供的线路32上。无论何时在线路12上的电池电压超过阈值(通常为低于临界腐蚀阈值百分之几伏)，VLD控制器增加开关30的占空比，从而降低平均电阻以增加电流和功率输出。无论何时线路12上的燃料电池输出电压减少到低于较低的安全电压，VLD控制器将按增量降低占空比。在耗散保持安全电池电压所需的任何功率量方面，辅助负载29产生的热量必须被容纳在所涉及装置的界限内。VLD控制器通常是单独的，并且与燃料电池发电站控制器以及DC/DC转换器控制器分开。
如图1所图示的，对DC/DC转换器的控制器的输入被提供在多个信号线19-21上。用于燃料电池堆输出电流(DC/DC转换器输入电流)的限制信号IcelLIM处于线路19上。转换器输出电流限制信号Iout LIM处于线路20上。所期望的转换器输出电压命令Vout CMND处于线路21上。
参照图2，通过入口点37到达用于图1的DC/DC转换器10的控制器11的现有技术控制策略，并且第一测试38确定输出电压是否等于或大于所命令的输出电压Vout CMND。如果不是，则测试38的否定结果到达测试40，以确定燃料电池输出电流Icel是否超过对应的限制Icel LIM。如本文所使用的，相对于参数的值，术语“超过”意指该值已到达其限制或阈值的不太有利的一侧。如果是，则测试40的肯定结果到达步骤42，该步骤42使得用于DC/DC转换器的占空比信号被减少。在下文中相对于图4关于本策略更详细地描述这些电流。
如果燃料电池输出电流未超过对应的限制，则测试40的否定结果到达测试43，以确定DC/DC转换器输出电流Iout是否超过相关的限制。如果转换器输出电流超过其限制，则测试43的肯定结果将到达步骤42，以递减占空比，从而使功率变小。但是，如果燃料电池输出电流和转换器输出电流两者都处于限制内，则测试40和43的否定结果将到达步骤45，以增加占空比。换句话说，如果输出电流都处于限制内，那么当电压输出小于所命令的电压输出时，如测试38所指示的，则在步骤45处增加占空比，这将增加DC/DC转换器的输出电压，并引起输出功率上的增加。
如果DC/DC转换器的电压输出超过输出电压命令，则测试38的否定结果将到达步骤42以减少占空比。这引起了输出电压上的减少，以及输出功率上的减少。因此，步骤45推进功率(增加它)而步骤42使功率被变小(不被推进)。在步骤42，45中的任一之后，通过返回点48回到其他例程。
发明内容
一种用于从具有带有限制值的临界参数的DC功率源接收功率的DC/DC转换器的控制策略，通过调整转换器输出并因此以有利地影响该临界参数的值的方式来变更由该源所输送的功率，来适应该临界参数，倘若其他参数的限制不被超过。
在一个示例中，所述临界参数是燃料电池发电站的电池电压，其中指示平均或代表性电池电压的电压被用来确定输出功率是否应被增加，从而使电池电压减少。
在所公开的实施例中，本控制策略利用具有燃料电池电压作为另一输入的DC/DC转换器的控制器而不是使用通常具有脉冲宽度调制的开关电路和VLD控制器的电压限制设备，来在燃料电池堆的电压变得过高的情况下变更操作的模式，以推进(升压)功率输出，从而降低燃料电池电压，倘若其他限制尚未被超过。
该控制策略可与采用由DC/DC转换器进行功率转换的其他DC源(诸如太阳能电池)一起使用。在一般情况下，本控制策略可以被用在任何情形中，其中控制策略内的指令以一种方式调整DC/DC转换器的输出，该方式进而变更提供功率到DC/DC转换器的DC源的临界参数。
本文的控制策略可以与升压或降压类型的单向或双向DC/DC转换器一起使用。本文的控制策略可以与控制被提供给负载的电流输出或者电压输出的DC/DC转换器一起使用。
其他变型将根据示例性实施例的以下详细描述而变得更加显而易见，如附图中所图示的。
附图说明
图1是供给了本领域已知的DC/DC转换器并利用了PWM切换的电压限制设备的燃料电池堆的简化示意框图。
图2是用于图1的DC/DC转换器的现有技术控制策略的简化图。
图3供给使用本文中的控制策略的DC/DC转换器的燃料电池堆的简化示意框图。
图4是图3的控制策略中所测试的信号的简化示意图示。
图5是用于图3的DC/DC转换器的本控制策略的简化图。
图6是包括用于车辆的电动马达的用于图3的改进转换器的负载的简化示意框图。
图7是包括电话交换台的用于图3的改进转换器的负载的简化示意框图。
图8是实施本程式(modality)的状态机的图示。
图9是在不控制输出电压的系统中实施本程式的状态机的图示。
图10-12是图8相应状态的简化示意图。
图13是本控制策略的简化图。
具体实施方式
采用本文中提供的控制策略的系统处于图3中所图示的燃料电池发电站系统15a内。图3和图1之间的显著区别在于电压限制辅助负载29和VLD控制器34是不存在的。重要的区别是，DC/DC转换器10a具有对其控制器11a的附加输入，其包括线路50上的燃料电池堆输出限制信号Vcel LIM。
图4为了清楚的目的图示出信号Vcel、Icel、Vout和Iout，其被提供给控制器11a，在那里它们在图5中的测试38、40、43和54中被测试。电池电压处于线路12上。电池输出电流Icel由设备57所测量，以确定当其进入DC/DC转换器10a时线路12上电流的幅值。Vout是DC/DC转换器在线路18上的输出电压，以及Iout是在线路18上正提供给负载的电流，其由传感器58所指示。
图4中的控制器11a的输出是线路60上的占空比信号，其被提供到电子开关62，诸如绝缘栅双极晶体管，在单边DC/DC转换器中，开关可以包括绝缘栅场效应晶体管或另一种合适的电子开关。这是DC/DC转换器中的电压控制的常规方式。在所示的升压转换器中，增加占空比将增加输出电压和/或输出电流，因此向负载推进功率，而减少占空比将降低输出电压或电流，并因此使提供给负载的功率变小。
在图5中，通过入口点53到达具有本文中的控制策略的用于DC/DC转换器10a的控制器11a。第一测试38与现有技术中的测试相同，并且确定输出电压是否大于输出电压命令。如果是，则其到达测试54，该测试54确定燃料电池电压Vcel是否大于燃料电池电压限制Vcel Lim。这可以是对单个代表性燃料电池的测试，或者其可以是对线路12上整个输出电压的测试，该整个输出电压将是限制电压阈值的N倍，其中N是该堆中的燃料电池的数量。或者，其可以是若干个代表性电池的电压的总和，在这种情况下，电池电压限制信号将包括限制电池电压阈值的N倍，其中N是所涉及的代表性电池的数量。
如果电池电压过高，则测试54的肯定结果将到达测试40和43，以确定燃料电池的输出电流或DC/DC转换器的输出电流是否超过其对应限制。如果测试40和43均是否定的，则在步骤45增加占空比，并且编程通过返回点48回到其他例程。如果为了降低电池电压而推进功率导致任一电流超过其限制，则测试40或43的结果将在图5的例程的下一程次(pass)中改变为肯定。这将到达步骤42以递减占空比，趋于降低电流。
如果电池电压较高，但任一电流在其限制以上，则测试40或43的肯定结果将防止占空比增加，并到达步骤42，该步骤42将如此前所描述的减少占空比。
但是，无论何时DC/DC转换器的输出电压超过其所命令的输出电压，只要电池电压不超过其在测试54中的对应限制，到达测试54的测试38的肯定结果将导致占空比42中的减少。
因此，通过在控制器11a中提供附加的控制因素，按照本控制策略，在保护燃料电池免受腐蚀的功能被容易实现的同时，避免了图1的装置29-34。
用于在本控制策略下进行操作的DC/DC转换器的一个可能负载16a是作为用于图6中所图示的车辆驱动的主电源。图6中的主要负载是电动马达67，其可以处于全电动车辆中，或处于混合动力车辆(诸如当前服务中的混合动力公共汽车)的电动马达部分中。马达67通过多个线路69从双边DC/AC逆变器72接收三相功率。该逆变器是双边的，以允许马达在减速时或下坡行进时充当制动设备。由马达在再生模式中生成的功率由逆变器72施加到能量存储系统74中，该能量存储系统74将包括许多电容器(每个电容器具有大电容)，或者在合适时包括存储蓄电池。能量存储系统74还包括双向DC/DC转换器(如果合适的话)以及用于控制能量的存储或返回的装置。
除了能量存储系统74，或对其进行代替，可以存在功率耗散设备(PDD)75，其本质上与图1中所参照的电压限制设备是相同的。功率耗散设备75可以允许使用马达单独作为制动设备，或作为当能量存储系统被完全充电时对能量存储系统的备用。然而，PDD 75不能提供能量，诸如用于系统的启动，如所已知的。PDD可以被使用，因为它比能量存储系统便宜得多，且重量明显更小，这两点在车辆应用中都是重要的。
关于利用本控制策略进行操作的DC/DC转换器10a，如果图5中的DC/DC转换器控制器11a的控制策略中的测试导致在步骤45处通过增加占空比而推进功率，根据其设计，功率中的这种增加在马达67处本不是期望的，则逆变器72可以针对电压差进行调整，并且能量存储系统74或功率耗散设备75可以吸收附加功率。
用于在本控制策略下进行操作的DC/DC转换器10a的另一个可能负载16b是作为用于图7中所示的电话交换台的备用电源。其中，最终负载是在适中的DC电压下进行操作的电子设备77，该适中的DC电压诸如在约12和30伏之间。用于电子设备的主电源是从普通公用电网82供电的AC/DC转换器79。转换器79将很可能将三相440伏AC功率转换为前述的额定电压下的DC功率。AC/DC转换器79可以调整额定电压下所提供的功率量，以适应变化数量的电子设备77的可变功率使用。
为了适应由公用电网提供的功率中的中断，提供大能量存储系统84。这种系统可以在相对短的时间段内向电子设备提供额定DC电压，并且一旦恢复来自公用电网82的功率，则由AC/DC转换器79在额定DC电压下对该系统重新充电。
对于长期的停电，图3的燃料电池发电站15a可被启动以通过DC/DC转换器10a在线路18上向电子设备77提供功率。在这种情况下，能量存储设备84可以采用由燃料电池堆所生成的任何额外功率，其是由电池电压大于电池电压限制所引起的。这是图5的控制策略到达步骤45以增加占空比从而由于测试54而推进功率的结果。这仅在电池电流和转换器输出电流都不超出限制时发生，如通过步骤40和43为否定所指示的。
图6和7的负载16a和16b仅仅是示例性的，并且说明了在不干扰各种各样的负载的情况下，推进功率以将电池电压降低到腐蚀限制电压以下是可能的。负载可以是将燃料电池发电站用作如图6中的主电源，或用作如图7中的备用电源。负载可以是如图6的移动的或如图7中的固定的。
本文中的程式已经被描述为其可以借助于数字例程来实施。然而，其可以按其他方式来实施，诸如通过如图8-12中所图示的状态机来实施。
任何时候存在加电或任何其他复位，如图8中线53a所指示的，状态机86到达第一状态87，其调节DC/DC转换器(10a，图4)在线路18上的输出电压(Vout)，如图10中所图示的，受到燃料电池电流限制。其中，转换器的输出电压Vout在求和接点89中与线路21上的输出电压命令Vout CMND进行比较。通过比例/积分增益42a/45a在线路91上传递误差以在线路92上提供正确的、有条件的占空比值。比例和积分增益42a/45a相当于步骤42和45，其递减或递增图5中的占空比。比例/积分增益在线路92上的输出穿过燃料电池电流限制级40a(其相当于图5的测试40，该测试40确保如果燃料电池电流过高则递减占空比)。该限制设备可以通常包括求和接点，以确定线路57上的燃料电池电流(Icel)是否超过线路19上的限制信号(Icel LIM)，并且如果是，则通过比例/积分增益将误差传递到类似于线路92的线路，连同“小于”电路，其选择两个输出中的较低者，即线路92或与Icel有关的类似线路，以提供线路94上的占空比信号。
图8中，状态机将保持在状态87中，在那里其调节Vout，除非两参数中的任一改变。如果燃料电池电压Vcel超过其限制Vcel LIM，如由线54a所指示的，则状态机86将前进到状态98，其中其调节燃料电池的输出电压，如图11中所示。图11的状态98与图10的状态87相同，除了在对求和接点89的输入处的信号以外。图11中，燃料电池电压(Vcel)在线路12上被施加到求和接点89的正输入，并且燃料电池限制电压Vcel LIM在线路50上被施加到求和接点的负输入。
一旦处于电池电压调节状态98中，其将保持在那里，除非燃料电池电压返回到低于其限制的值。然后，其返回到DC/DC转换器输出电压调节状态87，如由线54b所指示的。常规的滞后可以在条件54a和54b之间提供，以防止状态之间摆动。
另一种方式(其中状态机可前进出状态87，该状态87调节DC/DC转换器输出电压)是如果DC/DC转换器的输出电流超过其限制，如由线43a所指示的。然后，其将到达状态100，其中DC/DC转换器输出电流被调节，如图12中所示。图12与图10和11相同，除了供应到求和接点89的信号之外。在状态100中，DC/DC转换器在线路58上的输出电流(Iout)在求和接点89中与线路20上的用于其的限制Iout LIM相比较。穿过比例和积分增益42a/45a的差(如果有的话)在线路92上提供了试行的占空比信号，然后，如果燃料电池电流(Icel)超出限制则该试行的占空比信号可被取代，如前文所述。
如果DC/DC转换器输出电压(Vout)或燃料电池电压(Vcel)超过对应的限制，则分别地，状态可以回到输出电压被调节的状态87，或者其可以回到燃料电池电压被调节的状态98。
本文中的程式在状态机方面的表达不改变情形：本文中的程式消除了对任何种类的电压限制的需求，诸如功率耗散或存储，因为其促使DC/DC转换器在无论何时有必要保持燃料电池电压低于其限制都推进功率，(除非该DC/DC转换器具有过多的输出电流)，如前文所述的。
图9图示出简化的状态机，其是一种可被用在不需要控制DC/DC转换器输出电压的系统中的状态机。通常地，状态100a将控制DC/DC转换器，以便调节其输出电流Iout。但是，如果燃料电池电压超过限制，则图9的状态机将前进到燃料电池电压Vcel被调节的状态98a。由于状态98和98a，图8和图9所图示的状态机将避免当燃料电池的输出功率超过负载时对剩余功率的需求，因为DC/DC转换器将推进(增加)该功率以确保该燃料电池电压保持在限制内。与图9的状态机相当的数字例程被示于图13中。图13与图5相同，除了没有对转换器输出电压的控制(没有测试38)之外。
由于可以在不脱离概念的意图的情况下做出所公开的实施例的改变和变化，因此除了如所附权利要求所要求的之外，不意图限制本公开。

Claims (13)

1.一种方法，其特征在于：
通过以一定的方式操作DC/DC转换器来防止正操作所述DC/DC转换器的DC功率源的临界参数超过安全限制值，该方式用于变更DC源的功率输出以保持所述临界参数的值低于所述安全限制值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步的特征在于：
从由附接到所述DC/DC转换器的负载所正要求的功率输出变更所述DC源的功率输出仅在所述DC/DC转换器的负载以一定的方式改变时发生，该方式趋于致使所述临界参数的值将超过所述限制值是更可能的。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步的特征在于：
从由附接到所述DC/DC转换器的负载所正要求的功率输出变更所述DC源的功率输出是以在所述DC源的附加临界参数的值中或所述DC/DC转换器的临界参数的值中不存在过剩为条件。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步的特征在于：
所述DC功率源是燃料电池发电站。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步的特征在于：
所述DC功率源的临界参数是所述燃料电池发电站的燃料电池堆的电池电压。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步的特征在于：
从由附接到所述DC/DC转换器的负载所要求的功率输出变更功率输出包括增加功率输出。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步的特征在于：
从由附接到所述DC/DC转换器的负载所要求的功率输出变更功率输出是以不存在燃料电池堆输出电流或DC/DC转换器输出电流的值的对应限制以上的过剩为条件。
8.一种装置，包括：
DC功率源(13)，其具有临界参数，所述临界参数具有不应被超过的限制值；
DC/DC转换器(10a)，其中通过控制策略来控制功率转换，以转换所述DC功率源的输出功率来提供所述DC/DC转换器的期望输出；
其特征在于：
所述DC/DC转换器的控制策略包括：
a)确定所述临界参数的限制值是否已被超过，并且如果是，
b)在一定方向上引起所述DC/DC转换器的输出中的第一改变，该方向将使所述临界参数将超过所述限制值是不太可能的。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步的特征在于：
所述控制策略包括确定所述DC/DC转换器的第二临界参数的值是否超过第二限制值，并且如果是，
改变所述DC/DC转换器的控制以代替所述第一改变引起在所述DC/DC转换器的输出中的第二改变，所述第二改变将使所述第二临界参数将超过所述第二限制值是不太可能的。
10.根据权利要求8所述的装置，进一步的特征在于：
所述控制策略包括确定所述DC源的第三临界参数的值是否超过第三限制值，并且如果是，
改变所述DC/DC转换器的控制以代替所述第一改变或所述第二改变引起在所述DC/DC转换器的输出中的第三改变，所述第三改变将使所述第三临界参数将超过所述第三限制值是不太可能的。
11.一种控制DC功率源(13)并提供功率到DC/DC转换器(10a)的方法，所述DC功率源(13)具有临界参数，所述临界参数具有不应被超过的限制值，其中通过控制策略来控制功率转换，以转换所述DC功率源的输出功率来提供所述DC/DC转换器的期望输出；
其特征在于：
a)确定所述临界参数的限制值是否已被超过，并且如果是，
b)在一定方向上引起所述DC/DC转换器的输出中的第一改变，该方向将使所述临界参数将超过所述限制值是不太可能的。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步的特征在于：
确定所述DC/DC转换器的第二临界参数的值是否超过第二限制值，并且如果是，
改变所述DC/DC转换器的控制以代替所述第一改变引起在所述DC/DC转换器的输出中的第二改变，所述第二改变将使所述第二临界参数将超过所述第二限制值是不太可能的。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步的特征在于：
所述控制策略包括确定所述DC源的第三临界参数的值是否超过第三限制值，并且如果是，
改变所述DC/DC转换器的控制以代替所述第一改变或所述第二改变引起在所述DC/DC转换器的输出中的第三改变，所述第三改变将使所述第三临界参数将超过所述第三限制值是不太可能的。
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