CN105896976A - 一种燃料电池汽车dc-dc变换器的控制方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车dc-dc变换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车DC‑DC变换器的控制方法，涉及燃料电池汽车电力电子技术领域。该方法以控制燃料电池输出电流的方式调节其功率；以转换DC‑DC变换器控制模式或在一定阈值下令其停止工作的方式实现对燃料电池和DC‑DC变换器的故障保护。在输入过流或过温故障状态下，采用输入电流控制模式；在输出过流故障状态下，采用输出电流控制模式；在输入或输出电压故障状态下，采用输入或输出电压控制模式。该方法适用于燃料电池汽车动力系统中各类与燃料电池系统连接的DC‑DC变换器，能够精确、稳定地调节燃料电池的输出功率，迅速、及时地适应负载的随机变动，满足燃料电池汽车动力系统的要求，有效改善燃料电池汽车的工作状态。

Description

一种燃料电池汽车DC-DC变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于燃料电池汽车DC-DC变换器的控制方法，属于燃料电池汽车电力电子控制技术领域。
背景技术
燃料电池汽车是一种效率高、排放低、续驶里程长的新能源汽车，但是由于燃料电池的动态响应缓慢，难以满足车用动态工况需求；汽车运行时的频繁变载过程又会导致燃料电池输出功率的波动，对燃料电池的耐久性产生极大的不利影响。为克服以上不足，现有的燃料电池汽车动力系统一般采用燃料电池与储能部件(如蓄电池组)组合的电-电混合构型，使燃料电池运行于稳定、高效的区域，由蓄电池组等储能装置提供动态辅助功率来补充整车的动力需求和改善系统的动态性能，由DC-DC变换器连接燃料电池与蓄电池组使两者电压匹配。此外，动力系统还要求DC-DC变换器根据负载的功率需求、蓄电池组的SOC等参数调节燃料电池的输出功率，保证燃料电池工作高效、平稳且整个动力系统的功率输出能够满足整车负载需求。
可见DC-DC变换器在燃料电池汽车动力系统中处于核心位置，要求利用DC-DC变换器的控制功能实现改善燃料电池系统的性能和耐久性的目标。要调节燃料电池的功率，可通过调节氢气供给速率和空气供给速率的方式，但是这样会带来系统响应缓慢、燃料电池寿命衰减过快等问题；若通过控制燃料电池输出电流的方式，则要求DC-DC变换器工作于输入电流控制模式；而在系统出现故障时，又要求DC-DC变换器工作于输出电流、输入电压或输出电压控制模式，限制故障量的变化。因此，现有的单一的控制方法是难以实现DC-DC变换器性能最优的。
本发明弥补了以上缺点，结合了不同控制模式的优点，采用控制燃料电池输出电流的方式调节燃料电池的输出功率；采用完善的故障监测与保护措施保障燃料电池系统的工作状态稳定、可靠，实现燃料电池汽车动力系统性能的优化。
发明内容
本发明涉及一种燃料电池汽车DC-DC变换器的控制方法，该控制方法简单实用，能够满足燃料电池汽车动力系统需求，保障燃料电池的工作状态稳定可靠，提高燃料电池使用寿命。
为达到上述目的，该变换器系统以控制DC-DC变换器输入电流的方式调节燃料电池的输出功率，以转换DC-DC变换器控制模式、设置最大或最小阈值使DC-DC变换器停止工作的方式实现对燃料电池和DC-DC变换器的故障保护。具体为：
在常规工作状态下，采用输入电流控制模式，即由整车控制器给定DC-DC变换器的输入电流目标值，通过电流传感器采集DC-DC变换器的输入电流反馈值，通过控制器构成闭环控制系统调节反馈值跟随目标值变动，实现对DC-DC变换器的输入电流的控制；
在输入过流状态下，采用输入电流控制模式同时限制输入电流为DC-DC变换器的最大允许输入电流目标值，即在输入电流闭环控制条件下由DC-DC变换器内部给定预设的输入电流的最大允许目标值；
在输出过流状态下，采用输出电流控制模式同时限制输出电流为DC-DC变换器的最大允许输出电流目标值，即在输出电流闭环控制条件下由DC-DC变换器内部给定预设的输出电流的最大允许目标值；
在输入欠压状态下，采用输入电压控制模式同时限制输入电压为DC-DC变换器的最小允许输入电压目标值，即在输入电压闭环控制条件下由DC-DC变换器内部给定预设的输入电压的最小允许目标值；
在输入过压状态下，采用输入电压控制模式同时限制输入电压为DC-DC变换器的最大允许输入电压目标值，即在输入电压闭环控制条件下由DC-DC变换器内部给定预设的输入电压的最大允许目标值；
在输出过压状态下，采用输出电压控制模式同时限制输出电压为DC-DC变换器的最大允许输出电压目标值，即在输出电压闭环控制条件下由DC-DC变换器内部给定预设的输出电压的最大允许目标值；
在DC-DC变换器内部过温状态下，采用输入电流控制模式同时限制输入电流目标值进一步增大，即在输入电流闭环控制条件下，DC-DC变换器的输入电流目标值按正常工作状态的50％给定。
设置电流、电压、温度和故障保护时间的边界阈值，当电流、电压、温度的采样值或故障保护时间超过设置的边界阈值时，DC-DC变换器完全停止工作。
综上所述，本发明所述的燃料电池汽车DC-DC变换器控制方法适用于燃料电池汽车动力系统中各类与燃料电池系统连接的DC-DC变换器，能够精确、稳定地调节车用燃料电池的输出功率，迅速、及时地适应负载功率的随机变动。在电流、电压、温度或故障保护时间未达到设定阈值时，能够自主变换控制模式适应不同故障状态下的保护动作；在电流、电压、温度或故障保护时间超过设定阈值时，能够迅速关断开关器件，使DC-DC变换器完全停止工作，防止燃料电池和DC-DC变换器损坏。
与一般DC-DC变换器的控制方法不同，本方法充分结合了DC-DC变换器的电流控制模式和电压控制模式的优势，简单易行且可靠性高，能够充分适应燃料电池汽车的工作要求，有效改善燃料电池系统的工作状态。
附图说明
图1为本发明所述燃料电池汽车DC-DC变换器控制方法流程图；
图2为本发明所述燃料电池汽车DC-DC变换器控制系统结构图。
具体实施方式
参照附图，下面详细叙述本发明的具体实施方式。
图1所示，为本发明所述燃料电池汽车DC-DC变换器的控制方法流程图。该变换器系统以控制DC-DC变换器输入电流的方式调节燃料电池的输出功率，以转换DC-DC变换器控制模式、设置最大或最小阈值使DC-DC变换器停止工作的方式实现对燃料电池和DC-DC变换器的保护。
如图2所示，为本发明所述燃料电池汽车DC-DC变换器控制系统结构图。该变换器系统由DSP控制单元、信号采集处理单元、IGBT驱动保护单元、通讯单元和供电单元五个部分组成。
其中，DSP控制单元以一片TMS320F28335芯片为核心，根据信号采集处理单元提供的系统电流、电压、温度等状态信息和通讯单元提供的整车控制器控制信息将DC-DC变换器调整至正常工作、保护、停机等状态，根据整车控制器提供的电流目标值和实际电流的反馈值计算IGBT的开关占空比，输出经PWM调制的主电路IGBT驱动信号；
信号采集处理单元用于对DC-DC变换器主电路的电流、电压和温度等信号的采集与处理，并将处理好的信息传送至DSP控制单元；
IGBT驱动保护单元将DSP控制单元输出的驱动信号的功率放大、隔离及整形处理，并输送至主电路控制IGBT的工作状态，同时采集IGBT的集电极-发射极电流，用于监测IGBT的工作状态，实现保护功能；
通讯单元接收和处理来自整车控制器的DC-DC变换器起停、控制目标等信号，送至DSP控制单元，并向整车控制器发送由DSP控制单元发出的DC-DC变换器状态信息；
供电单元将由蓄电池提供的12V/24V直流电变换为可供控制系统各芯片正常工作的3.3V、5V和15V等电压级别的直流电。
在正常工作状态下，采用输入电流控制模式。即由DSP控制单元接收整车控制器经通讯单元传送的DC-DC变换器启动信号及输入电流目标值，接收由信号采集处理单元传送的输入电流反馈值，经过PI控制器计算，得到IGBT的开关占空比，输出经PWM调制的IGBT驱动信号经IGBT驱动保护单元放大、隔离、整形用于控制IGBT的通断。由此构成闭环控制系统调节反馈值跟随目标值变动，实现对DC-DC变换器的输入电流的控制。
在输入过流状态下，采用输入电流控制模式同时限制输入电流为DC-DC变换器的最大允许输入电流目标值。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输入电流闭环控制，给定目标值为输入电流的最大允许目标值，限制输入电流进一步增大，并由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送输入过流故障警报。
在输出过流状态下，采用输出电流控制模式同时限制输出电流为DC-DC变换器的最大允许输出电流目标值。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输出电流闭环控制，给定目标值为输出电流的最大允许目标值，限制输出电流进一步增大，并由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送输出过流故障警报。
在输入欠压状态下，采用输入电压控制模式同时限制输入电压为DC-DC变换器的最小允许输入电压目标值。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输入电压闭环控制，给定目标值为输入电压的最小允许目标值，限制输入电压进一步减小，由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送输入欠压故障警报。
在输入过压状态下，采用输入电压控制模式同时限制输入电压为DC-DC变换器的最大允许输入电压目标值。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输入电压闭环控制，给定目标值为输入电压的最大允许目标值，限制输入电压进一步增大，并由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送输入过压故障警报。
在输出过压状态下，采用输出电压控制模式同时限制输出电压为DC-DC变换器的最大允许输出电压目标值。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输出电压闭环控制，给定目标值为输出电压的最大允许目标值，限制输出电压进一步增大，并由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送输出过压故障警报。
在DC-DC变换器内部过温状态下，采用输入电流控制模式同时限制输入电流目标值进一步增大。即由DSP控制单元将控制模式强制设为输入电流闭环控制，给定正常工作状态下50％的输入电流目标值，监测温度的变化情况，并由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送内部过温故障警报。
设置电流、电压、温度和故障保护时间的边界阈值，当电流、电压、温度的采样值或故障保护时间超过设置的阈值时，DC-DC变换器完全停止工作。由DSP控制单元经通讯单元向整车控制器发送故障警报，经IGBT驱动保护单元将IGBT全部关断，经信号采集处理单元继续监测电流、电压、温度状态，同时等候整车控制器的进一步指令。
本发明所述的燃料电池汽车DC-DC变换器控制系统连接于燃料电池与蓄电池组之间，将燃料电池的输出电压调节至合适的水平，能够精确、稳定地控制车用燃料电池的输出功率，迅速、及时地适应负载功率的随机变动。通过这样的设计，该变换器控制系统能够适应燃料电池汽车的工作环境，有效改善燃料电池汽车的工作状态。

Claims (1)

1.一种燃料电池汽车DC-DC变换器控制方法，其特征在于，以控制DC-DC变换器输入电流的方式调节燃料电池的输出功率，以转换DC-DC变换器控制模式和设置最大或最小阈值使DC-DC变换器停止工作的方式实现对燃料电池和DC-DC变换器的故障保护，具体为：
在正常工作状态下，采用输入电流控制模式；在输入过流状态下，采用输入电流控制模式限制输入电流为DC-DC变换器的最大允许输入电流目标值；在输出过流状态下，采用输出电流控制模式限制输出电流为DC-DC变换器的最大允许输出电流目标值；在输入欠压状态下，采用输入电压控制模式限制输入电压为DC-DC变换器的最小允许输入电压目标值；在输入过压状态下，采用输入电压控制模式限制输入电压为DC-DC变换器的最大允许输入电压目标值；在输出过压状态下，采用输出电压控制模式同时限制输出电压为DC-DC变换器的最大允许输出电压目标值；在DC-DC变换器内部过温状态下，采用输入电流控制模式限制输入电流最大目标值为正常工作状态下的50％。此外，设置电流、电压、温度和故障保护时间的边界阈值，当电流、电压、温度的采样值或故障保护时间超过设置的阈值时，DC-DC变换器完全停止工作。
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