CN110690818A - 用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，包括PWM信号发生器和功率器件，功率器件的输入端连接氢燃料电池电堆，功率器件的输出端连接负载，PWM信号发生器的输入信号包括输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号，输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号同时传输至电堆监控系统的输入端，PWM信号发生器与电堆监控系统通过模拟信号连接，模拟信号来自电堆监控系统，PWM信号发生器的输出端连接功率器件，并控制功率器件的输出功率；本发明能够防止电压过高或者过低，避免了电堆的启停，延长了电堆的使用寿命，且成本低廉，实时性好。

Description

用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器
[技术领域]
本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说是一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器。
[背景技术]
氢燃料电池管理系统中，DC/DC变换器连接氢燃料电池电堆(简称电堆)，将电堆输出的不稳定电压进行电压变换和稳压，然后给负载供电。现有产品中，DC/DC变换器是系统中的一个分体模块，一般是独立运行或者通过数字量的方式与监控系统通讯实现参数改变。为了保护电堆，提高电堆使用寿命，DC/DC变换器的输入电流一般采用恒流的方式，防止电堆过负载运行，影响电堆的使用寿命。
目前，现有的DC/DC变换器是系统中的一个分体模块，组装系统时，工序复杂费时费力，占用体积较大，成本高，在功率不太大的系统中，此结构并不适用。受控方式上，独立运行的DC/DC变换器虽然结构简单，但是由于参数固定，在电堆性能变化时不能有效保护电堆；而且，通过数字通讯的方式控制的DC/DC变换器，由于通讯需专门的处理器和接口芯片，成本较高。此外，DC/DC变换器的输入采用恒流的方式，虽然在一定程度上可以起到保护电堆，延长寿命的作用，但是由于电堆运行中，其性能受供气量、温湿度等多方面的影响，单独恒流方式并不能适用所有情况，保护作用有限。控制方式上，当电堆的输出电压或电流超出预设值，电堆监控系统会停止电堆，待恢复正常后再启动电堆，这使得电堆在启停过程中，内部结构会受损，从而影响电堆的使用寿命。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，能够防止电压过高或者过低，避免了电堆的启停，延长了电堆的使用寿命，且成本低廉，实时性好。
为实现上述目的设计一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，包括PWM信号发生器1和功率器件2，所述功率器件2的输入端连接氢燃料电池电堆3，所述功率器件2的输出端连接负载4，所述PWM信号发生器1的输入信号包括输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号，所述输入电压信号、输入电流信号均采集于功率器件2与氢燃料电池电堆3之间，所述输出电压信号、输出电流信号均采集于功率器件2与负载4之间，所述输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号同时传输至电堆监控系统5的输入端，所述PWM信号发生器1与电堆监控系统5通过模拟信号连接，所述模拟信号来自电堆监控系统5，所述电堆监控系统5通过模拟信号控制PWM信号发生器1，所述PWM信号发生器1的输出端连接功率器件2，并控制功率器件2的输出功率。
进一步地，所述DC/DC变换器与电堆监控系统5集成在一个PCB板上。
进一步地，所述DC/DC变换器通过监测功率器件2的输出电压，并通过调整PWM信号发生器1的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒压状态下。
进一步地，若功率器件2的输出电流超过预设最大负载电流，则通过调整PWM信号发生器1的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒流状态；若氢燃料电池电堆3的输出电流超出预设电流，则电堆监控系统5通过模拟信号调整DC/DC变换器的PWM信号发生器1，使DC/DC变换器工作在输入恒流状态。
进一步地，若DC/DC变换器工作在输入恒流状态下，电堆监控系统5检测到功率器件2的输入电压高于预设最大值或者低于预设最小值，则电堆监控系统5通过模拟信号调整DC/DC变换器输入恒流值，使氢燃料电池电堆3的输出电压稳定在预设范围内。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明所述的DC/DC变换器与电堆监控系统集成在一个PCB板上，简化了组装，减小了体积，降低了成本；
(2)本发明DC/DC变换器的PWM信号发生器与电堆监控系统通过模拟信号连接，接受监控系统的控制，此种受控方式结构简单，成本低廉，实时性好；
(3)本发明在DC/DC变换器的输入方式上，除采用恒流方式外，还增加了电压监控，从而能够防止电压过高或者过低，可以明显增加电堆的使用寿命；
(4)本发明在电堆输出电压或电流异常时，通过控制DC/DC变换器的参数来调节电堆的输出，避免了电堆的启停，延长了电堆的使用寿命。
[附图说明]
图1是本发明的原理示意图；
图中：1、PWM信号发生器2、功率器件3、氢燃料电池电堆4、负载5、电堆监控系统。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，本发明提供了一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，包括PWM信号发生器1和功率器件2，功率器件2的输入端连接氢燃料电池电堆3，功率器件2的输出端连接负载4，所述PWM信号发生器1的输入信号包括输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号，所述输入电压信号、输入电流信号均采集于功率器件2与氢燃料电池电堆3之间，所述输出电压信号、输出电流信号均采集于功率器件2与负载4之间，输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号同时传输至电堆监控系统5的输入端，PWM信号发生器1与电堆监控系统5通过模拟信号连接，模拟信号来自电堆监控系统5，电堆监控系统5通过模拟信号控制PWM信号发生器1，PWM信号发生器1的输出端连接功率器件2，并控制功率器件2的输出功率。
本发明所述的DC/DC变换器与电堆监控系统集成在一个PCB板上，体积小、成本低。DC/DC变换器与电堆监控系统通过模拟信号连接，接受监控系统的控制，此种受控方式结构简单，成本低廉。在DC/DC变换器的输入方式上，除采用恒流方式外，还增加了电压监控，防止电压过高或者过低，可以明显增加电堆的使用寿命。在电堆输出电压或电流异常时，通过控制DC/DC变换器的参数来调节电堆的输出，避免了电堆的启停，延长电堆使用寿命。
本发明中，PWM信号发生器根据输入输出的参数状态，控制功率器件，调节DC/DC变换器的输出功率。输入电压采集、输入电流采集、输出电压采集、输出电流采集这四部分将采集到的信号传输到PWM信号发生器用于实时调节PWM信号发生器的PWM输出状态，同时这四个信号也传输到电堆监控系统，电堆监控系统根据输入输出状态，进行判断运算后，通过模拟信号来控制PWM信号发生器，使电堆工作在比较良好的输出功率状态下，保护电堆，避免电堆频繁启停，延长使用寿命。
本发明与传统DC/DC变换器的不同点在于：(1)结构不同，本发明的DC/DC变换器与电堆监控系统集成在一个PCB板子上，简化了组装，减小了体积，降低了成本。(2)与PWM信号发生器连接的信号包括输入电压、输入电流、输出电压、输出电流和来自电堆监控系统的模拟信号，此PWM信号发生器输入信号更加全面，既可以实现电堆输出恒流控制，又可监测电堆输出电压，使其工作在安全的范围内。同时，还受电堆监控系统控制，可让电堆监控系统根据其他复杂参数实时调整DC/DC变换器的工作状态，防止电堆频繁启停。(3)电堆监控系统与DC/DC变换器通过模拟信号连接，连接方式简单，成本低廉，实时性好。
本发明的工作过程如下：
在正常状态下，DC/DC变换器通过监测输出电压，通过调整PWM信号发生器的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒压状态下；
若输出电流超过预设最大负载电流，则通过调整PWM信号发生器的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒流状态；
若电堆输出电流超出预设电流时，则电堆监控系统通过模拟信号调整DC/DC变换器的PWM信号发生器，使DC/DC变换器工作在输入恒流状态；
若在DC/DC变换器工作在输入恒流状态下，检测到输入电压高于预设最大值或者低于预设最小值，则电堆监控系统通过模拟信号调整DC/DC变换器输入恒流值，使电堆输出电压稳定在预设范围内。
传统的DC/DC变换器的控制方式在监测到电堆输出电流或者电压超过预设值时，电堆监控系统会关闭电堆，待恢复正常时再开启。而电堆的启停会导致电堆内部受损，频繁启停会大大降低电堆的使用寿命。本发明的控制方式则避免了工作过程中电堆的频繁关闭和开启，减小了电堆因启停造成的受损，延长了电堆的使用寿命。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，其特征在于：包括PWM信号发生器(1)和功率器件(2)，所述功率器件(2)的输入端连接氢燃料电池电堆(3)，所述功率器件(2)的输出端连接负载(4)，所述PWM信号发生器(1)的输入信号包括输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号，所述输入电压信号、输入电流信号均采集于功率器件(2)与氢燃料电池电堆(3)之间，所述输出电压信号、输出电流信号均采集于功率器件(2)与负载(4)之间，所述输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号、输出电流信号同时传输至电堆监控系统(5)的输入端，所述PWM信号发生器(1)与电堆监控系统(5)通过模拟信号连接，所述模拟信号来自电堆监控系统(5)，所述电堆监控系统(5)通过模拟信号控制PWM信号发生器(1)，所述PWM信号发生器(1)的输出端连接功率器件(2)，并控制功率器件(2)的输出功率。
2.如权利要求1所述的用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器与电堆监控系统(5)集成在一个PCB板上。
3.如权利要求1所述的用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器通过监测功率器件(2)的输出电压，并通过调整PWM信号发生器(1)的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒压状态下。
4.如权利要求1所述的用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，其特征在于：若功率器件(2)的输出电流超过预设最大负载电流，则通过调整PWM信号发生器(1)的输出脉宽，使DC/DC变换器工作在输出恒流状态；若氢燃料电池电堆(3)的输出电流超出预设电流，则电堆监控系统(5)通过模拟信号调整DC/DC变换器的PWM信号发生器(1)，使DC/DC变换器工作在输入恒流状态。
5.如权利要求1所述的用于氢燃料电池系统的集成化模拟受控DC/DC变换器，其特征在于：若DC/DC变换器工作在输入恒流状态下，电堆监控系统(5)检测到功率器件(2)的输入电压高于预设最大值或者低于预设最小值，则电堆监控系统(5)通过模拟信号调整DC/DC变换器输入恒流值，使氢燃料电池电堆(3)的输出电压稳定在预设范围内。
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