CN109120152B - 一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置及方法 - Google Patents

一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置，有两级变换架构，前级为多相交错并联Boost变换器，总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器，用于控制后级DC/DC的输出；两级变换器由一个主控制器控制；主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常规PID控制器，各带切相控制的PID控制器分别用于控制多相交错并联Boost变换器的不同工作相；每个带切相控制的PID控制器带前馈矫正电路，前馈矫正电路通过采集各自相的电流IL(K)与多相交错并联Boost变换器所有工作相的电感电流平均值
Figure DDA0001757431940000011
的差值作为前馈信号进行控制矫正；每个带切相控制的PID控制器同时引入迟滞比较器避免控制器在调整点反复切换。本发明还公开一种燃料电池低纹波高效率能量控制方法。

Description

一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池控制系统领域，特别是涉及一种燃料电池能量控制装置及控制方法。
背景技术
燃料电池输出电压电流特性偏软，不太适合作为用电设备单一的直接供电电源。通常会在燃料电池和负载之间加装DC/DC直流变换器作为能量控制装置，使负载获得相对稳定的电压或电流。但是DC/DC直流变换器的输入纹波会影响燃料电池的特性衰减，减少燃料电池的使用寿命。
交错并联技术由于相位的偏移实现电流纹波的削峰填谷，能够有效抑制纹波，因此经常用于对纹波要求非常高的场合。在所有电力变换拓扑架构中，Boost变换器能够有效抑制输入纹波，因此非常适合于燃料电池输出控制场合。燃料电池汽车领域遥遥领先的产品丰田mirai采用的就是四相交错并联Boost变换器来控制燃料电池的输出。在一些宽工作电压范围的电源应用里，也常采用前级Boost变换器+后级DC/DC变换器的两级变换架构，Boost变换器的作用是在完成升压功能的同时，提高了系统的功率等级以及拓宽燃料电池的工作电压范围。
在满足负载功率需求的前提下，通过降低并联相数从而减少功率管数目，可以提高整体系统的效率，保证在整个功率范围内实现能量控制装置的效率最大化。例如，四相交错并联Boost变换器工作在50％负载区时，两相交错并联工作效率最大；工作在25％负载区时，单相工作效率最大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低纹波高效率的燃料电池能量控制装置。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置，其特征在于：能量控制装置有两级变换架构，前级为多相交错并联Boost变换器，总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器；两级变换器由一个主控制器控制；主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常规PID控制器，各带切相控制的PID控制器分别用于控制多相交错并联Boost变换器的不同工作相；每个带切相控制的PID控制器通过采集各自相的电流IL(K)与多相交错并联Boost变换器所有工作相的电感电流平均值
Figure BDA0001757431920000021
的差值作为前馈信号进行控制矫正；每个带切相控制的PID控制器同时引入迟滞比较器避免控制器在调整点反复切换；常规PID控制器用于控制后级DC/DC的输出；其中，K表示从1到N的任意一相，Iin表示多相交错并联Boost变换器总输入电流，Non表示工作的相数。
本发明还提供一种燃料电池低纹波高效率能量控制方法，其特征在于：采用两级变换架构进行控制输出，前级为多相交错并联Boost变换器，多相交错并联Boost变换器的总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器；多相交错并联Boost变换器的每一个工作相由一个带切相控制的PID控制器，DC/DC变换器由一个常规PID控制器控制输出；用多相交错并联Boost变换器总输入电流决定多相交错并联Boost变换器的当前工作相数；每一个带切相控制的PID控制器将各自控制工作相工作电流的采集值IL(K)与所有工作相电感电流平均值
Figure BDA0001757431920000022
的差值作为前馈信号，建立反馈控制系统的附加矫正环节，以削弱切换过程中的电流冲击；同时对应每一个带切相控制的PID控制器引入迟滞比较器，避免在调整点反复切换；其中，K表示从1到N的任意一相，Iin表示多相交错并联Boost变换器总输入电流，Non表示工作的相数。
本发明的有益效果是：
一、采用带切相控制的PID控制器对多相交错并联Boost变换器的各工作相进行切相控制，使多相交错并联Boost变换器的工作相数与负载率相适应，在抑制纹波的同时保持较高效率，使得燃料电池的电力输出具有极低纹波和极高的工作效率。
二、带切相控制的PID控制器内含前馈矫正电路，减小切换过程中瞬时电流的冲击，同时内含迟滞比较器，减少因电流波动而产生频繁往复的切换操作。
附图说明
图1所示为本发明提供的燃料电池低纹波高效率能量控制装置结构示意图。
图2所示为本发明基于Boost的带切相控制的PID控制框图。
附图标记说明：
1：多相交错并联Boost变换器，2：DC/DC变换器，3：主控制器，4：带切相控制的PID控制器，5：常规PID控制器。
具体实施方式
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，一种燃料电池能量低纹波高效率控制装置有两级变换架构，前级为N相交错并联Boost变换器1(相数N大于4)，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器2。Boost变换器1用于拓宽工作电压，抑制输入纹波从而达到降低燃料电池被输出纹波干扰的影响。燃料电池能量的控制由后级DC/DC变换器2完成。后级DC/DC变换器2可以为任意符合项目实际需求的电路拓扑结构。
两级变换器由一个主控制器3控制。主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常规PID控制器。N个带切相控制的PID控制器专用于控制Boost变换器1，使其在不同负载率下交错并联的相数也跟随改变，在抑制纹波的同时保持较高效率。
带切相控制的PID控制器工作原理为：根据总输入电流决定当前工作相数。
为了削弱切换过程中的电流冲击，本发明在电压外环内引入与总输入电流有关的补偿内环环路，以提高直流变换器的输入阻抗。附加矫正环节为：采集Boost变换器总的电流信号Iin，计算出已工作的工作相的平均电流
Figure BDA0001757431920000041
(Iin表示Boost变换器总输入电流，Non表示工作的相数)，该平均电流
Figure BDA0001757431920000042
与每一相采集电流，如第一相工作电流IL1比较，得到差值ΔIL1，ΔIL1与等效电阻RIL1相乘得到一个前馈信号对PID控制器进行控制矫正。本发明并采用迟滞比较器在切相点对增减相数操作提供迟滞宽度。
相数调整的目的是根据燃料电池输出电流动态地调整系统工作相的相数来达到提高系统效率的作用。
当系统处于重载状态下，系统功率损耗主要受到开关管、电感铜损等的导通损耗影响较大。增加并联相数相当于减小通态电阻，减小通态损耗，故相数全开系统效率最高。
当系统处于轻载状态下，系统功率损耗主要受到开关损耗、纹波电流损耗以及磁芯损耗等交流损耗影响较大，故应用尽可能少的工作相来满足负载功率。
工作频率较低时，系统开关损耗、纹波电流损耗等对系统功率影响较小，此时全相数工作效果最佳，相数的调整不会提高系统效率，反而会增加软件编程难度，降低系统安全性。随着电力电子器件不断向高频化发展，开关损耗、驱动损耗占系统损耗越来越重，利用相数调整可以在低负载的状态下提高系统效率。
通常为了在保证变换器稳定性的同时减小系统输出阻抗，反馈校正信号是输出电压和各相支路电流的组合。本发明中是通过添加一个与电感电流相关的状态量作为前馈信号，建立对效率波动的补偿通道，作为反馈控制系统的附加矫正环节，减小切换过程中瞬时电流的冲击。其中，迟滞比较器能有效地减少因电流波动而产生频繁往复的切换操作，状态量决定了当前工作相数。
切相控制器的具体操作如下。燃料电池输出电流到达阈值，控制器产生前馈信号，将其中两相电流量置零。系统在额定工作条件下，继续用剩余相工作。其他的相数调整过程类似。考虑到各相电流的脉动以及供电需求的变动，这里的各相电流都采用有效值。
常规PID控制器用于控制后级DC/DC的输出，即恒压控制、恒流控制和恒功率控制。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (2)

1.一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置，其特征在于：能量控制装置有两级变换 架构，前级为多相交错并联Boost变换器，总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换 器；两级变换器由一个主控制器控制；主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常 规PID控制器，各带切相控制的PID控制器分别用于控制多相交错并联Boost变换器的不同 工作相；每个带切相控制的PID控制器带前馈矫正电路，前馈矫正电路通过采集各自相的电 流IL(K) 与多相交错并联Boost变换器所有工作相的电感电流平均值
Figure 704765DEST_PATH_IMAGE001
的差值作为前馈 信号进行控制矫正；每个带切相控制的PID控制器同时引入迟滞比较器避免控制器在调整 点反复切换；常规PID控制器用于控制后级DC/DC的输出；其中，K表示从1到N的任意一相，Iin 表示多相交错并联Boost变换器总输入电流，Non表示工作的相数。
2.一种燃料电池低纹波高效率能量控制方法，其特征在于：采用两级变换架构进行控 制输出，前级为多相交错并联Boost变换器，多相交错并联Boost变换器的总相数N大于4，后 级为任意拓扑结构的DC/DC变换器；多相交错并联Boost变换器的每一个工作相由一个带切 相控制的PID控制器控制，DC/DC变换器由一个常规PID控制器控制输出；用多相交错并联 Boost变换器总输入电流决定多相交错并联Boost变换器的当前工作相数；每一个带切相控 制的PID控制器将各自控制工作相工作电流的采集值IL(K)与所有工作相电感电流平均值
Figure 687764DEST_PATH_IMAGE001
的差值作为前馈信号，建立反馈控制系统的附加矫正环节，以削弱切换过程中的电流 冲击；同时对应每一个带切相控制的PID控制器引入迟滞比较器，避免在调整点反复切换； 其中，K表示从1到N的任意一相，Iin表示多相交错并联Boost变换器总输入电流，Non表示工 作的相数。
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