CN110048397A - 一种质子交换膜燃料电池混合供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池混合供电系统，包括含有PEMFC和储能单元的功率变换单元，以及控制单元；所述功率变换单元为双输入Buck/Buck‑Boost变换器，采用交错双沿调制，其中PEMFC作为混合供电系统的主供电电源，储能单元作为混合供电系统的备用电源；所述功率变换单元包括输入电流单周期控制器和输出电压PWM控制器，其中输入电流单周期控制器用于控制PEMFC的输入电流，使输入电流的平均值跟随期望电流，输出电压PWM控制器用于控制功率变换单元的输出电压信息，保证功率变换单元输出电压的稳定。本发明提高了变换器的动态响应速度，简化了控制闭环设计。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池混合供电系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将氢气化学能直接转化为电能的发电装置，生成物为水和热，不受卡诺循环的限制，具有效率高、低温启动、无污染的特点，被认为是21世纪全新的高效、节能、环保的发电技术之一。由于PEMFC独立供电系统受工作环境和负载变化影响较大，输出特性较软，无法带载启动，因此由PEMFC与蓄电池或超级电容组成的PEMFC混合供电系统逐渐得到人们的重视。通过单向DC-DC变换器实现PEMFC给负载供电，蓄电池或超级电容经过双向DC-DC变换器与负载母线连接实现充电和放电。这种方式解决了PEMFC独立供电系统存在的问题，但是结构复杂，控制困难。
发明内容
本发明的目的在于一种结构简单、容易控制的质子交换膜燃料电池混合供电系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种质子交换膜燃料电池混合供电系统，包括含有PEMFC和储能单元的功率变换单元，以及控制单元；所述功率变换单元为双输入Buck/Buck-Boost变换器，采用交错双沿调制，其中PEMFC作为混合供电系统的主供电电源，储能单元作为混合供电系统的备用电源；所述功率变换单元包括输入电流单周期控制器和输出电压PWM控制器，其中输入电流单周期控制器用于控制PEMFC的输入电流，使输入电流的平均值跟随期望电流，输出电压PWM控制器用于控制功率变换单元的输出电压信息，保证功率变换单元输出电压的稳定。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明用多输入直流变换器代替多个单输入直流变换器，共用一套滤波电感和滤波电容，可以减少元器件，简化电路结构，降低系统成本；2)本发明双输入Buck/Buck-Boost变换器采用交错双沿调制，减小了电感电流的脉动，提高了变换器的动态响应和效率；3)本发明通过比较负载所需功率和PEMFC提供最大功率确定功率变换单元的工作模式，能够有效协调多个输入源；4)本发明采用传统线性载波调制技术与非线性单周期控制技术相结合的控制技术，有效解决了功率变换单元中存在多个工作模式时，闭环系统设计复杂且相互之间存在耦合的问题。
附图说明
图1为双输入Buck/Buck-Boost变换器的电路图。
图2为双输入Buck/Buck-Boost变换器在Vin2＞Vo与Vin2≤Vo时的电感电流波形图。
图3为双输入Buck/Buck-Boost变换器的控制框图。
图4为1#源输入电流单周期控制器的电路图。
图5为质子交换膜燃料电池混合供电系统的工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
参照附图1，以双输入Buck/Buck-Boost变换器为例说明变换器的结构，由1#源输出电压作为Vin1，2#源输出电压为Vin2，S1和S2为开关管，D1和D2为续流二极管，L是电感，C是输出滤波电容，R是负载。其中1#源输出正极接第一开关管S1的漏极，负极接电感L的一端，第一开关管S1的源极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极，第一续流二极管D1的正极接输出滤波电容C和负载R，输出滤波电容C和负载R的另一端接电感L的一端，电感L的另一端接第二续流二极管D2的负极、第二开关管S2的的漏极接2#源输出正极，2#源的负极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极。Vin1独立向负载供电时，D2始终导通，Vin1、S1、D1、L、C、R相当于一个Buck-Boost变换器；Vin2独立向负载供电时，D1始终导通，Vin2、S2、D2、L、C、R相当于一个Buck变换器。根据两个开关管的状态，变换器存在四种开关状态：
状态1：S1和S2同时导通，电感电压vL＝Vin1+Vin2，电感电压vL＞0，因此电感电流iL上升；
状态2：S1导通，S2关断，电感电压vL＝Vin1，电感电压vL＞0，因此电感电流iL上升；
状态3：S2导通，S1关断，电感电压vL＝Vin2-Vo，Vo为输出电压，若Vin2＞Vo，此时电感电压vL＞0，电感电流iL上升，否则电感电流下降；
状态4：S1和S2同时关断，电感电压vL＝-Vo，电感电压vL＜0，因此电感电流iL下降。
图2给出了Vin2＞Vo和Vin2≤Vo两种情况下，双输入Buck/Buck-Boost变换器的电感电流波形，其中(a)给出的是没有采用交错双沿调制，两只开关管存在同时导通时间或者关断时间的电感电流的波形，(b)给出的是采用交错双沿调制之后电感电流波形，对比可以发现，采用交错双沿调制，电感两端电压更小，可以使电感电流的脉动减小至最小值。
根据交错双沿调制时双输入Buck/Buck-Boost变换器的电感稳态伏秒平衡原理，可以推导变换器输入输出电压关系。开关S1和S2的占空比分别为D1和D2，在D1+D2＜1时，在一个开关周期Ts内，变换器工作在状态2、3、4，输出电压表达式为Vo＝(D1/1-D1)·Vin1+(D2/1-D1)·Vin2，在D1+D2＞1时，在一个开关周期Ts内，变换器工作在状态1、2、3，输出电压表达式亦为Vo＝(D1/1-D1)·Vin1+(D2/1-D1)·Vin2，可以看出开关S1和S2可以独立控制。
假设电感的感值很大，可以忽略电感纹波，在开关S1和S2开通时，1#源和2#源的输入电流都等于电感电流，输入电流的表达式iin1＝D1·IL和iin2＝D2·IL。从上式表达式不难看出，双输入Buck/Buck-Boost变换器存在两个占空比，除了能够调节输出电压，还可以对1#源和2#源的功率进行合理分配。
参照附图3，该混合供电系统中有两个控制闭环，分别控制1#源的输入电流和变换器的输出电压。假设1#源所能提供的最大功率为P1max，负载所需的功率为Po。本发明基于比较Po和P1max确定双输入Buck/Buck-Boost变换器的工作模式存在三种状态：
工作模式1：当负载所需功率Po大于1#源所提供的最大功率P1max，即Po＞P1max时，此时系统处于1#源与2#源同时供电状态，1#源输出功率为Pin1-ref，不足的功率由2#源提供。此时输出电压调节器的输出Ve为正值，二极管Dc截止。1#源输入电流基准信号iin1-ref由最大功率点跟踪(MPPT)控制器给出，使1#源工作在最大功率输出状态，电压调节器调节S2占空比，保证输出电压稳定。
工作模式2：当负载所需功率Po小于等于1#源所提供的最大功率P1max，即Po≤P1max时，此时系统处于1#源单独供电状态，如果依旧保持工作模式1由MPPT控制器给出iin1-ref保持不变，1#源继续工作在最大功率输出状态，则1#源输出功率大于负载功率，导致输出电压升高。此时电压调节器的输出Ve为负值，使S2关断，二极管Dc导通，电压调节器的输出Ve作为调整信号使iin1-ref'减小，即减小1#源的输入电流。电压调节器与输入电流单周期控制器组成双闭环，调节S1的占空比保证输出电压稳定。
工作模式3：若1#源不能输出功率，即P1max＝0时，此时系统处于2#源单独供电状态，此时iin1-ref'＝0，直接关断开关管S1，系统的输出电压稳定由电压调节器控制S2调节。
参照附图4，1#源输入电流的单周期控制器在SmedleyKM在文献“One-cyclecontrolofswitchingconverters”提出的控制器上加以改进，由反向器、反向积分器、比较器、RS触发器以及复位开关Sr组成。其中iin1为1#源输入电流采样信号，采样系数为ki，反向器对其进行反向，以使反向积分器的输出为正的积分电压，然后与电流基准iin1-ref'比较。在时钟信号Clock的上升沿开通S1，同时开始对iin1进行积分。S1导通时，iin1等于电感电流iL，电流积分量为iint(t)＝1/R2C2∫t kiiL(t)dt，当iint达到电流基准信号iin1-ref'时，比较器的输出信号vcomp变成高电平，使RS触发器复位，其Q端输出低电平，关断S1，同时端变成高电平，使Sr闭合，将电流积分量iint复位为0，直至下一个时钟脉冲的到来，1#源输入电流的平均值为k＝R1C1/(k1Ts)，Ts为时钟周期，也是开关管的开关周期，开关频率采用100KHz。采用单周期控制能够在一个开关周期内使1#源的输出电流平均值跟踪基准值，从而消除1#源输出电压变化，负载突变以及另一个占空比变化对1#源的输出电流平均值的扰动。
综上所述，本发明提出一种质子交换膜燃料电池混合供电系统，包括含有PEMFC和储能单元的功率变换单元，以及控制单元；所述功率变换单元为双输入Buck/Buck-Boost变换器，采用交错双沿调制，其中PEMFC作为混合供电系统的主供电电源，储能单元作为混合供电系统的备用电源；所述功率变换单元包括输入电流单周期控制器和输出电压PWM控制器，其中输入电流单周期控制器用于控制PEMFC的输入电流，使输入电流的平均值跟随期望电流，输出电压PWM控制器用于控制功率变换单元的输出电压信息，保证功率变换单元输出电压的稳定。
作为一种具体实施方式，所述功率变换单元具体包括PEMFC、储能单元、第一开关管S1、第二开关管S2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、电感、输出滤波电容C、负载R，其中PEMFC输出正极接第一开关管S1的漏极，负极接电感L的一端，第一开关管S1的源极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极，第一续流二极管D1的正极接输出滤波电容C和负载R，输出滤波电容C和负载R的另一端接电感L的一端，电感L的另一端接第二续流二极管D2的负极、第二开关管S2的的漏极接储能单元输出正极，储能单元的负极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极。
作为一种具体实施方式，所述PEMFC为空冷自增湿型质子交换膜燃料电池，侧面集成温度采集模块和风扇模块，其中温度采集模块用于实时采集电堆温度，风扇模块用于为PEMFC供应氧气，同时保证PEMFC温度处于最佳工温。
作为一种具体实施方式，所述输入电流单周期控制器通过电流采样获得PEMFC的输入电流，在每个开关周期内对其积分，与期望电流进行比较，使输入电流的平均值跟随期望电流，从而控制输入源的输入功率。
作为一种更具体实施方式，所述输入电流单周期控制器通过电流互感器采样PEMFC输入电流，电流互感器副边检测电阻为28Ω，原边匝数为1匝，副边匝数为60匝。
作为一种具体实施方式，所述输出电压PWM控制器通过电压采样获得功率变换单元的输出电压，与期望电压比较，根据比较误差调整控制信号输出，保证功率变换单元输出电压的稳定。
作为一种更具体实施方式，所述输出电压PWM控制器通过电阻分压采样功率变换单元输出电压，采样比为1：11。
作为一种具体实施方式，所述功率变换单元根据比较负载所需功率和PEMFC提供最大功率确定混合供电系统的工作模式，当负载所需功率大于PEMFC所提供的最大功率，PEMFC和储能单元同时供电，输出功率不足的部分由储能单元提供；当负载所需功率小于等于PEMFC所提供的最大功率，PEMFC单独供电；当PEMFC不能输出功率，储能单元单独供电。
参照附图5，搭建质子交换膜燃料电池混合供电系统验证系统的有效性，1#源为PEMFC，输出在16V至28V范围内变化的直流电压，2#源为储能单元，输出在35V至41.4V范围内变化的直流电压，要求混合供电系统输出电压稳定在24V。根据Po的变化和P1max进行比较，判断混合供电系统的工作模式，当实际混合供电系统的负载需求大于实际PEMFC发电系统最大功率时，由于在此系统中Vin2＞Vo，通过附图2、3分析，为保证一个开关周期内伏秒平衡，系统工作在状态2、3、4，由线性载波调制技术调节S2保持输出电压稳定，单周期控制技术调节S1控制PEMFC处于最大功率状态；当实际混合供电系统的负载需求小于实际PEMFC发电系统最大功率时，这时由PEMFC独立向负载供电，由于Vin1＝16～28V，为保证系统输出电压为24V，系统工作在状态2、4，相当于一个Buck-Boost变换器，由单周期控制技术调节S1控制PEMFC输出功率，保持输出电压稳定；当实际PEMFC发电系统氢气停止供应或者系统故障时，这时Po＝0时由储能单元独立向负载供电，由于Vin2＝35～41.4V，为保证系统输出电压为24V，系统工作在状态3、4，相当于一个Buck变换器，由线性载波调制技术调节S2保持输出电压稳定。通过实际系统验证，该发明能够在各个工作模式之间平滑切换，保持输出电压稳定。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，包括含有PEMFC和储能单元的功率变换单元，以及控制单元；所述功率变换单元为双输入Buck/Buck-Boost变换器，采用交错双沿调制，其中PEMFC作为混合供电系统的主供电电源，储能单元作为混合供电系统的备用电源；所述功率变换单元包括输入电流单周期控制器和输出电压PWM控制器，其中输入电流单周期控制器用于控制PEMFC的输入电流，使输入电流的平均值跟随期望电流，输出电压PWM控制器用于控制功率变换单元的输出电压信息，保证功率变换单元输出电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述功率变换单元具体包括PEMFC、储能单元、第一开关管S1、第二开关管S2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、电感、输出滤波电容C、负载R，其中PEMFC输出正极接第一开关管S1的漏极，负极接电感L的一端，第一开关管S1的源极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极，第一续流二极管D1的正极接输出滤波电容C和负载R，输出滤波电容C和负载R的另一端接电感L的一端，电感L的另一端接第二续流二极管D2的负极、第二开关管S2的的漏极接储能单元输出正极，储能单元的负极接第一续流二极管D1的负极、第二续流二极管D2的正极。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述PEMFC为空冷自增湿型质子交换膜燃料电池，侧面集成温度采集模块和风扇模块，其中温度采集模块用于实时采集电堆温度，风扇模块用于为PEMFC供应氧气，同时保证PEMFC温度处于最佳工温。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述输入电流单周期控制器采用非线性单周期控制技术，通过电流采样获得PEMFC的输入电流，在每个开关周期内对其积分，与期望电流进行比较，使输入电流的平均值跟随期望电流，从而控制输入源的输入功率。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述输入电流单周期控制器通过电流互感器采样PEMFC输入电流，电流互感器副边检测电阻为28Ω，原边匝数为1匝，副边匝数为60匝。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述输出电压PWM控制器采用线性载波调制技术，通过电压采样获得功率变换单元的输出电压，与期望电压比较，根据比较误差调整控制信号输出，保证功率变换单元输出电压的稳定。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述输出电压PWM控制器通过电阻分压采样功率变换单元输出电压，采样比为1：11。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池混合供电系统，其特征在于，所述功率变换单元根据比较负载所需功率和PEMFC提供最大功率确定混合供电系统的工作模式，当负载所需功率大于PEMFC所提供的最大功率，PEMFC和储能单元同时供电，输出功率不足的部分由储能单元提供；当负载所需功率小于等于PEMFC所提供的最大功率，PEMFC单独供电；当PEMFC不能输出功率，储能单元单独供电。
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| CN111834654A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-10-27 | 上海捷氢科技有限公司 | 质子交换膜燃料电池最大功率的在线预测控制方法及装置 |
| CN111834654B (zh) * | 2020-07-24 | 2021-09-14 | 上海捷氢科技有限公司 | 质子交换膜燃料电池最大功率的在线预测控制方法及装置 |
| CN112787511A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-11 | 深圳市核达中远通电源技术股份有限公司 | 一种双输入氢燃料电池dc/dc变换器及其控制方法 |
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