CN109638807A - 带有多路电压输出的燃料电池混合系统 - Google Patents

带有多路电压输出的燃料电池混合系统 Download PDF

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Abstract

一种带有多路电压输出的燃料电池混合系统，包括电池模块，变换器模块和控制模块。电池模块和变换器模块相连，输出不同等级电压；控制模块通过信号传输线和电池模块及变换器模块中的受控元件相连，控制电池模块及变换器模块。该系统依据无人机负载的功率情况控制选通变换器(4)使燃料电池模块(1)单独或和锂电池(7)共同为无人机运动提供电能；锂电池(7)通过单输入多输出Buck变换器(3)为无人机不同电压等级的芯片提供电能，还可以提供可控的电压输出为无人机的功能性负载提供电能。

Description

带有多路电压输出的燃料电池混合系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池供电系统。
背景技术
小型旋翼式无人机具有成本低，效费比高，生存能力强，机动性好，使用方便，环境适用能力强，不受地形限制，无人员伤亡风险，可代替人类涉足危险环境等诸多优点正在运输、探测、侦查、反恐、通信等军事和民用领域展现越来越广阔的应用前景。但存在续航能力低的问题，这在一定程度上限制了其应用。
目前，小型旋翼式无人机是采用传统锂电池作为供电单元的。锂电池的能量密度有一定的限度，这限制了小型旋翼式无人机的进一步发展和应用。以氢气为燃料的燃料电池可将氢气的化学能直接转化为电能，转化效率高，能量密度大。比起传统的锂电池，氢燃料电池可为无人机提供更长的续航。但是单纯的燃料电池电压特性软，大电流会导致电压的大幅度下降，通常需要配备辅助电池。故燃料电池和锂电池混合的供电系统可实现电源优势互补，满足无人机飞行的需要。另外，无人机内部还存在不同电压等级的耗电模块，采用传统的变压芯片会增加无人机自身重量和自身体积，将DC/DC变换器集成在燃料电池混合系统中，进行电源的集成化可减少无人机的体积和重量。
目前相关的燃料电池混合系统是基于大型的固定翼无人机展开的，未考虑小型旋翼式无人机，如中国专利CN106864757A和中国专利CN207072438U公开的混合动力固定翼无人机系统采用高能量密度和高功率密度电池并联通过控制器为电机提供电能；还有仅仅采用了燃料电池向旋翼式无人机供电，如中国专利CN207466964U公开的一种基于燃料电池系统的无人飞行平台，忽视了燃料电池无法应对负载功率突变的情况；中国专利CN207851548U公开了一种应用于无人机的大功率电源模块，该模块虽然引入了锂电池为备用电源，但将备用锂电池电源直接和负载相连，忽略了锂电池电压也会随着电量的减少而减少，极易和燃料电池形成回路，造成安全隐患。除此之外，上述专利均未考虑无人机内部还存在不同电压等级的耗电模块，无法输出不同等级的电压，在无人机实际应用中需要外加多种直流变换器，会造成无人机增加不必要的负载，增大无人机的体积，降低无人机的续航；在变换器模块未考虑合适的电压或电流反馈，会在扰动存在的情况下导致变换器输出电压不稳定，甚至有较大的偏差，造成安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有小型旋翼式无人机供电系统电池能量密度低和产生电压单一的缺点，提出一种带有多路电压输出的燃料电池混合供电系统。本发明可使无人机拥有更长航程，精简电源，减少无人机的重量和体积；在使用同一装置的情况下产生不同等级电压。
本发明带有多路电压输出的燃料电池混合系统，包括电池模块、变换器模块和控制模块。电池模块和变换器模块相连，输出不同等级电压；控制模块通过信号传输线和电池模块及变换器模块中的受控元件相连，控制电池模块及变换器模块。
所述的电池模块包括燃料电池模块和锂电池模块。燃料电池采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，包含储氢罐，控制氢气流速的控制泵，燃料电池本体。储氢罐通过管道中连接的控制阀将氢气输送到燃料电池本体中产生电能。锂电池模块包括充电系统和锂电池本体。充电系统为Buck/Boost电路，Buck/Boost电路的输入端和燃料电池相连，Buck/Boost电路的输出端和锂电池相连，燃料电池和锂电池极性相反。
所述的变换器模块包括单输入多输出Buck变换器和选通变换器。单输入多输出Buck变换器由两个SIDO Buck变换器并联而成，输出电压需小于锂电池电压。每个SIDOBuck变换器的输入端和锂电池相连，SIDO Buck变换器的输出端和相应的负载相连。
所述的选通变换器由选通开关和Buck变换器组成，输出电压小于燃料电池电压。选通开关为受控的单刀双掷开关。燃料电池和锂电池通过选通开关串联后连接到选通变换器的输入端，输出端和无人机负载相连。
所述的控制模块硬件部分采用无人机的飞控板，主要作用是产生PWM波控制驱动变换器模块，以及充电系统的IGBT模块输出要求的电压；控制模块还控制充电系统对锂电池充电和选通变换器投入锂电池供电。
所述的充电系统采用输出电压闭环反馈控制综合输入电压前馈控制。要实现充电系统输出锂电池要求的电压，需输入相应的输出电压给定值，输出电压给定值和输出电压实际值的差值输入到PI控制器中，经过误差放大，与跟随输入电压变化而成比例变化的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，驱动IGBT开通关断，使输出电压符合要求。
所述的单输入多输出Buck变换器同时采用电压反馈控制。要实现单输入多输出Buck变换器各个支路输出相应芯片所要求的电压，需输入相应支路的电压给定值，输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，经过误差放大，与相应的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，驱动IGBT开通关断，使输出电压符合要求。
所述的选通变换器采用输入电压前馈综合输出电压反馈控制。要实现选通变换器输出负载要求的电压，需输入相应的电压给定值，输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，经过误差放大，与跟随输入电压变化的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，驱动IGBT开通关断，使输出电压符合要求。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：本发明基于DC/DC变换器技术、面积等效原理、伏秒平衡原理、PWM技术产生可驱动无人机负载的电压电流和四路输出电压可调的直流电压，用于小型旋翼式无人机的驱动。
本发明在输入电压端未采用传统的燃料电池和锂电池并联补充电流，而采用燃料电池和锂电池的串联来弥补燃料电池因电流的增大而导致的电压降，同时在选通变换器采用输入电压前馈综合输出电压反馈的控制方法使得变换器可以高效快捷准确地输出要求电压，避免了燃料电池和锂电池并联造成回路而导致的安全隐患；在变换器中都采用了合适的反馈和前馈的控制方法，使得输出电压即使受到干扰也满足要求；在锂电池上并联了单输入多输出模块，可输出不同的可控电压，为无人机的芯片提供高质量的电能，减小了无人机的体积，增加了无人机的续航。
附图说明
图1本发明燃料电池混合系统总体结构图；
图2本发明充电系统原理图；
图3本发明充电系统控制图；
图4本发明选通变换器原理图；
图5本发明选通变换器控制图；
图6本发明单输入多输出Buck变换器的一个支路的原理图；
图7本发明单输入多输出Buck变换器的一个支路的控制图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明实施例如下：
燃料电池输出电压为56v；锂电池电压为48v；截止电压为50.4v；无人机负载电压为48v；芯片需要电压分别为3.3v、12v、15v。
如图1所示，本发明用于小型旋翼式无人机的带有多路电压输出的燃料电池混合系统包括电池模块，变换器模块和控制模块。电池模块通过电力传输线和相应的变换器模块相连，输出不同等级电压；控制模块通过信号传输线和电池模块及变换器模块中的受控元件相连，控制电源模块和变换器模块。
所述的电池模块包括燃料电池模块和锂电池模块。燃料电池模块采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，包含10L压缩氢气的储氢罐，控制氢气流速的控制泵，燃料电池本体。储氢罐通过管道中连接的控制阀将氢气输送到燃料电池本体产生电能。控制燃料电池输出电压大于锂电池的最高电压，为56v左右。锂电池模块包括充电系统和锂电池本体，锂电池电压为48v左右。充电系统为Buck/Boost电路，Buck/Boost电路的输入端和燃料电池相连，Buck/Boost电路的输出端和锂电池相连，燃料电池和锂电池极性相反。设置输出电压为锂电池截止电压50.4v，采用输出电压反馈综合输入电压前馈的控制方法。控制系统通过控制Buck/Boost电路中的IGBT实现锂电池稳定适时的充电。
如图2所示，燃料电池的正极和充电系统Buck/Boost电路的IGBTQ01的C端口相连，IGBTQ01的E端口分别和储能电感L01的一端及续流二极管D01的输出端相连；储能电感L01的另一端和燃料电池的负极相连，续流二极管D01的输入端分别连接滤波电容C01的一个端口及锂电池的负极；滤波电容C01的另一端及锂电池的正极直接和燃料电池的负极相连。IGBTQ01的G端口和控制模块相连，由控制模块选择合适充电时机和充电时间。锂电池本体采用LiPo电池。
在IGBTQ01导通时，续流二极管D01截止，燃料电池对储能电感L01充电；在IGBTQ01截止时，续流二极管D01导通，储能电感L01的能量转移到滤波电容C01上，进而输出到锂电池上，能量流向如图2所示。依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制IGBTQ01的占空比便可控制输出电压。
要实现充电系统可以输出锂电池要求的48v电压，只需将充电系统输出电压给定值设为48v；输出电压给定值和输出电压实际值的差值输入到PI控制器中，如图3所示，经过误差放大，与跟随输入电压变化而变化的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，产生相应的占空比，驱动IGBT开通关断，输出48v电压。
燃料电池和锂电池通过选通变换器和无人机负载相连，如图4所示。选通变换器由选通开关即一个受控的单刀双掷开关和Buck变换器组成，并采用输入电压前馈综合输出电压反馈控制，设置输出电压为48v。燃料电池的正极连接IGBTQ21的C端口，燃料电池负极和选通开关K21的定端相连；选通开关K21的动端1和锂电池的正极相连；动端2和锂电池的负极相连，IGBTQ21的E端口分别和续流二极管D21的输出端以及储能电感L21的一个端口相连；续流二极管D21的输入端连接选通开关K21的动端2，储能电感L21的另一个端口分别和滤波电容C21的一个端口以及负载的正极相连；滤波电容C21的另一个端口以及负载的负极均和选通开关K21的动端2相连接。IGBTQ21的G端口以及选通开关的控制端和控制模块相连。只需控制选通开关即可选择锂电池输入。选通变换器另一端口和无人机负载相连。控制系统和选通变换器中的选通开关的控制端以及IGBT的G端口相连。
在IGBTQ21导通时，续流二极管D21截止，输入端电池对储能电感L21、滤波电容C21和负载充电；在IGBTQ21截止时，续流二极管D21导通，储能电感L21的能量转移到滤波电容C21上，进而输出到锂电池上，能量流向如图4所示。依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制IGBTQ21的占空比便可控制输出电压。
要实现选通变换器输出电压为48v，需设置输出电压给定值为48v，输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，如图5所示，经过误差放大，与跟随输入电压变化的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，产生相应的占空比，驱动IGBT开通关断，使输出48v电压。
锂电池通过所述的变换器模块中的单输入多输出Buck变换器后输出四个可控电压，其中三个电压分别为3.3v、12v和15v，留出一个未定接口。单输入多输出Buck变换器由两个SIDO Buck变换器并联而成，单个SIDO Buck变换器如图6所示。锂电池正极连接IGBTQ11的C端口；锂电池负极接地，IGBTQ11的E端口分别和续流二极管D11的输出端以及储能电感L11的一个端口相连；续流二极管D11的输入端接地，储能电感L11的另一个端口分别和IGBTQ12,Q13的C端口相连，IGBTQ12,Q13的E端口分别和滤波电容C11,C12的一个端口以及负载的正极相连，滤波电容C11,C12的另一个端口和负载的正极相连接地。IGBTQ11,Q12,Q13的G端口和控制模块相连，由控制模块控制其通断。
单输入多输出Buck变换器采用分时复用的控制方法，以一个SIDO Buck变换器为例，Q12,Q13依次开通相同的时间，主开关管Q11在Q12,Q13开通时进行一次开通关断。故主开关管Q11的驱动脉冲开关频率是Q12,Q13的两倍。具体实现如下：Q12,S12和Q13,S13驱动脉冲高低电平互补且占空比均为0.5。在0到0.5T中，Q12开通，主开关管Q11开通关断一次；在0.5T到T中，Q13开通，主开关管Q11开通关断一次。各路电压输出由主开关管决定。在Q12导通Q13截止时，在主开关管Q11导通情况下，续流二极管D11截止，锂电池对储能电感L11、滤波电容C11和负载充电；在主开关管Q11导通截止情况下，续流二极管D11导通，储能电感L11的能量转移到滤波电容C11上，进而输出到负载上。依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制主开关管Q11的占空比便可控制输出电压。在Q12截止Q13导通时，另一条支路能量转移情况相同。
要实现单输入多输出Buck变换器各个支路输出3.3v、12v和15v，需将相应支路的电压给定值设置为3.3v、12v和15v，空白支路设为0v；输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，如图7所示，经过误差放大，与相应的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，产生相应的占空比，驱动IGBTQ11开通关断，使输出符合要求电压。
控制系统通过IGBT的G端口对IGBT的开通关断进行控制，完成控制驱动变换器模块和充电系统的IGBT模块输出要求电压；控制充电系统对锂电池充电；控制选通变换器投入锂电池供电的任务。

Claims (10)

1.一种带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的系统包括电池模块，变换器模块和控制模块；电池模块和变换器模块相连，输出不同等级电压；控制模块通过信号传输线和电池模块及变换器模块中的受控元件相连，控制电池模块及变换器模块。
2.根据权利要求1所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的电池模块包括燃料电池模块和锂电池模块；燃料电池采用质子交换膜燃料电池，包含储氢罐，控制氢气流速的控制泵，燃料电池本体；储氢罐通过管道中连接的控制阀将氢气输送到燃料电池本体中产生电能；锂电池模块包括充电系统和锂电池本体；充电系统为Buck/Boost电路，Buck/Boost电路的输入端和燃料电池相连，Buck/Boost电路的输出端和锂电池相连，燃料电池和锂电池极性相反。
3.根据权利要求2所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的燃料电池的正极和充电系统Buck/Boost电路的IGBTQ01的C端口相连，IGBTQ01的E端口分别和储能电感L01的一端及续流二极管D01的输出端相连；储能电感L01的另一端和燃料电池的负极相连，续流二极管D01的输入端分别连接滤波电容C01的一个端口及锂电池的负极；滤波电容C01的另一端及锂电池的正极直接和燃料电池的负极相连；IGBTQ01的G端口和控制模块相连，由控制模块选择合适充电时机和充电时间；锂电池本体采用LiPo电池；
在IGBTQ01导通时，续流二极管D01截止，燃料电池对储能电感L01充电；在IGBTQ01截止时，续流二极管D01导通，储能电感L01的能量转移到滤波电容C01上，进而输出到锂电池上；依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制IGBTQ01的占空比控制输出电压。
4.根据权利要求1所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的变换器模块包括单输入多输出Buck变换器和选通变换器；单输入多输出Buck变换器由两个SIDO Buck变换器并联而成，输出电压小于锂电池电压；每个SIDO Buck变换器的输入端和锂电池相连，SIDO Buck变换器的输出端和相应的负载相连。
5.根据权利要求1所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的选通变换器由选通开关和Buck变换器组成，输出电压小于燃料电池电压；选通开关为受控的单刀双掷开关；燃料电池和锂电池通过选通开关串联后连接到选通变换器的输入端，输出端和无人机负载相连。
6.根据权利要求1所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的选通变换器由选通开关即一个受控的单刀双掷开关和Buck变换器组成，并采用输入电压前馈综合输出电压反馈控制，设置输出电压为48v；燃料电池的正极连接IGBTQ21的C端口，燃料电池负极和选通开关K21的定端相连；选通开关K21的动端1和锂电池的正极相连；动端2和锂电池的负极相连，IGBTQ21的E端口分别和续流二极管D21的输出端以及储能电感L21的一个端口相连；续流二极管D21的输入端连接选通开关K21的动端2，储能电感L21的另一个端口分别和滤波电容C21的一个端口以及负载的正极相连；滤波电容C21的另一个端口及负载的负极均和选通开关K21的动端2相连接；IGBTQ21的G端口及选通开关的控制端和控制模块相连；选通变换器的另一端口和无人机负载相连；控制系统和选通变换器中的选通开关的控制端以及IGBT的G端口相连；
在IGBTQ21导通时，续流二极管D21截止，输入端电池对储能电感L21、滤波电容C21和负载充电；在IGBTQ21截止时，续流二极管D21导通，储能电感L21的能量转移到滤波电容C21上，进而输出到锂电池上；依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制IGBTQ21的占空比控制输出电压。
7.根据权利要求6所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：实现选通变换器输出电压为48v，需设置输出电压给定值为48v，输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，经过误差放大，与跟随输入电压变化的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，产生相应的占空比，驱动IGBT开通关断，使输出48v电压。
8.根据权利要求1所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：锂电池通过变换器模块的单输入多输出Buck变换器后输出四个可控电压，其中三个电压分别为3.3v、12v和15v，留出一个未定接口；单输入多输出Buck变换器由两个SIDO Buck变换器并联而成；单个SIDO Buck中，锂电池正极连接IGBTQ11的C端口；锂电池负极接地，IGBT Q11的E端口分别和续流二极管D11的输出端以及储能电感L11的一个端口相连；续流二极管D11的输入端接地，储能电感L11的另一个端口分别和IGBTQ12,Q13的C端口相连，IGBTQ12,Q13的E端口分别和滤波电容C11,C12的一个端口以及负载的正极相连，滤波电容C11,C12的另一个端口和负载的正极相连接地。IGBTQ11,Q12,Q13的G端口和控制模块相连，由控制模块控制其通断。
9.根据权利要求8所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：所述的单输入多输出Buck变换器采用分时复用的控制方法；一个SIDO Buck变换器中，Q12,Q13依次开通相同的时间，主开关管Q11在Q12,Q13开通时进行一次开通关断；故主开关管Q11的驱动脉冲开关频率是Q12,Q13的两倍；具体实现如下：Q12,S12和Q13,S13，驱动脉冲高低电平互补且占空比均为0.5；在0到0.5T中，Q12开通，主开关管Q11开通关断一次；在0.5T到T中，Q13开通，主开关管Q11开通关断一次；各路电压输出由主开关管决定；在Q12导通Q13截止时，在主开关管Q11导通情况下，续流二极管D11截止，锂电池对储能电感L11、滤波电容C11和负载充电；在主开关管Q11导通截止情况下，续流二极管D11导通，储能电感L11的能量转移到滤波电容C11上，进而输出到负载上；依据面积等效原理和伏秒平衡原理，控制主开关管Q11的占空比便可控制输出电压；在Q12截止Q13导通时，另一条支路能量转移情况相同。
10.根据权利要求8所述的带有多路电压输出的燃料电池混合系统，其特征在于：实现单输入多输出Buck变换器各个支路输出3.3v、12v和15v，需将相应支路的电压给定值设置为3.3v、12v和15v，空白支路设为0v；输出电压给定值和输出电压实际值的差值分别输入到各个支路的PI控制器中，经过误差放大，与相应的锯齿波载波相比较产生相应的PWM波，产生相应的占空比，驱动IGBTQ11开通关断，使输出符合要求电压。
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