CN112600421B - 一种氢燃料电池dc-dc变换器装置的电流控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池dc-dc变换器装置的电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及DCDC变换器技术领域，具体涉及一种氢燃料电池DC‑DC变换器装置的电流控制方法。支路电流采集模块负责采集各相支路实时电流，并传输至DSP控制器模块。支路电流采集模块、第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块均与DSP控制器模块输入端电性连接，DSP控制器模块输出端经隔离开关管驱动模块与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接；第一电压电流采样及短路监测模块和第二电流采样及短路监测模块分别负责采集输入端电压电流和输出端电压电流，同时负责实时监测输入输出端电流，能够迅速响应电路出现过流或短路的情况，并迅速将警示信号传输至DSP控制器模块。

Description

一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法
技术领域
本发明涉及DCDC变换器技术领域，具体涉及一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机等问题日趋严重，氢燃料电池汽车逐渐成为新能源汽车领域的研究热点。由于氢燃料电池动态响应慢、特性偏软，电压变化范围较大，无法较好满足整车需求，通常需要采用DC/DC变换器来达到电压解耦和功率控制的目的。
氢燃料电池汽车对氢燃料电池DC-DC变换器的体积功率密度、转换效率等参数要求极高。为提升体积功率密度，我们常用多相交错并联技术提升氢燃料电池DC-DC变换器额定功率，同时减小体积。在实际应用中，多相交错并联电路中各支路的功率器件间很难做到完全一致，且散热系统也很难对各支路进行均匀散热。针对上述问题，传统氢燃料电池DC-DC变换器往往采用均流技术，尽可能的实现多相交错并联电路的热均衡，但当变换器处于较为恶劣的环境下大功率长时间运行时，仍存在各支路温差较大的问题，导致变换器出现提前降额、过温保护等性能不佳的问题，甚至出现设备损坏等可靠性低的问题，从而影响氢燃料电池DC-DC变换器的安全稳定性，进一步影响新能源汽车整车的经济性与实用性。可见，提升氢燃料电池DC-DC变换器安全稳定性是一个亟待解决的关键性问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种提高稳定性的氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种氢燃料电池DC-DC变换器装置，包括：第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块、DSP控制模块、支路电流比计算模块、隔离开关管驱动模块、辅助电源模块和高速CAN通讯模块，输电线束接入第一电压电流采样及短路监测模块内，第一电压电流采样及短路监测模块经滤波电容C1与支路电流采集模块输入端电性连接，支路电流采集模块输出端与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接，储能元件及功率隔离开关管模块输出端经滤波电容C2与第二电压电流采样及短路监测模块输入端电性连接，第二电压电流采样及短路监测模块输出端接出输电线束，辅助电源模块输出端和储能元件及功率隔离开关管模块中的高精度温度传感器模块输出端均与DSP控制器模块输入端电性连接，支路电流采集模块、第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块均与DSP控制器模块输入端电性连接，DSP控制器模块输出端经隔离开关管驱动模块与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接；支路电流比计算模块、高速CAN通信模块与DSP控制器模块双向电性连接，高速CAN通讯模块还与整车的主控单元电性连接。
具体的，所述输电线束包括正极输电线束和负极输电线束，正极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，负极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，所述滤波电容C1一端与第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C1的另一端与第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块之间的负极输电线束电性连接并接地，所述滤波电容C2一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C2的另一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的负极输电线束电性连接并接地。
具体的，所述储能元件及功率开关模块包括多条功率开关支路，功率开关支路的一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的正极输电线束电性连接，功率开关支路的另一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的负极输电线束以及第一电压电流采样及短路监测模块输出端的负极输电线束电性连接，每个功率开关支路上串联有两个隔离开关管Q，隔离开关管Q的漏极设置在靠近正极输电线束的一端，隔离开关管Q的源极设置在靠近负极输电线束的一端，每个功率开关支路的两个隔离开关管Q之间连接有电感支路，电感支路上串联有一个电感L，电感支路与支路电流采集模块电性连接。
具体的，所述支路电流采集模块内含有霍尔传感器支路，霍尔传感器支路上串联有霍尔传感器，霍尔传感器支路的数量与功率开关支路的数量一致，霍尔传感器支路均与正极输电线束电性连接，一条霍尔传感器支路对应与储能元件及功率开关模块中的一条电感支路电性连接。
一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法，包含以下步骤：
(1)支路电流比计算模块通过DSP控制器模块获取各相支路实时温度值，进行滤波处理后，得到各相支路实时温度值T1、T2、…、Tn，其中，n为支路相数总和，n为正整数；
(2)令T＝T1+T2+...+Tn，
则计算得到各相支路实时电流比为
Figure GDA0003300664820000031
其中，α为温度补偿系数，取值范围为0.01≤α≤0.05，此时，支路电流比计算模块将计算得到的支路实时电流比传输至DSP控制器模块；
(3)DSP控制器模块通过第一电压电流采样及短路监测模块获取实时输入电流值Iin，通过第二电压电流采样及短路监测模块获取实时输出端电压值Uout，通过高速CAN通讯模块获取整车实时需求输入电流值Iset，通过支路电流采集模块获取各支路实时电流值I1、I2、…、In；
(4)DSP控制器模块比较实时输入电流值Iin和整车实时需求输入电流值Iset的大小，比较实时输出端电压值Uout和最大限定输出电压值Um的大小，若Iin≠Iset，则通过隔离开关管Q驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，同时保证各相支路实时电流比为步骤(2)中计算得到的电流比，直至Iin＝Iset，调整过程中，若出现输出端电压值Uout大于最大限定输出电压值Um，即Uout＞Um，则调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，直至Uout＝Um，此时，停止调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小。
具体的，所述步骤(1)中n的取值不大于12。
具体的，所述步骤(4)中最大限定输出电压值Um为氢燃料电池汽车动力锂电池充满电时的最大电压值。
本发明相比现有技术包括以下优点及有益效果：
(1)本发明通过第一电压电流采样及短路监测模块和第二电流采样及短路监测模块分别负责采集输入端电压电流和输出端电压电流，同时负责实时监测输入输出端电流，能够迅速响应电路出现过流或短路的情况，并迅速将警示信号传输至DSP控制器模块，便于系统进入保护状态，直至故障移除，提升了氢燃料电池DC-DC变换器带载能力、转换效率及安全稳定性，进一步提升新能源汽车整车的经济性与实用性。
(2)本发明通过比较实时输出端电压值Uout和最大限定输出电压值Um的大小，实时输入电流值Iin和整车实时需求输入电流值Iset的大小，通过隔离开关管Q驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，保证各支路温差均衡，实现了智能化控制，提升了变换器的各项性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
针对现有基于多相交错并联电路的氢燃料电池DC-DC变换器处于较为恶劣的环境下长时间运行时各支路温差较大，导致变换器出现提前降额、过温保护等性能不佳的问题，甚至出现设备损坏等可靠性低的问题，提出一种具有温度补偿算法的高可靠性的DC-DC变换器及电流控制方法，如图1至图2所示，一种氢燃料电池DC-DC变换器装置，包括：第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块、DSP控制模块、支路电流比计算模块、隔离开关管驱动模块、辅助电源模块和高速CAN通讯模块，输电线束接入第一电压电流采样及短路监测模块内，第一电压电流采样及短路监测模块经滤波电容C1与支路电流采集模块输入端电性连接，支路电流采集模块输出端与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接，储能元件及功率隔离开关管模块输出端经滤波电容C2与第二电压电流采样及短路监测模块输入端电性连接，第二电压电流采样及短路监测模块输出端接出输电线束，辅助电源模块输出端和储能元件及功率隔离开关管模块中的高精度温度传感器模块输出端均与DSP控制器模块输入端电性连接，支路电流采集模块、第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块均与DSP控制器模块输入端电性连接，DSP控制器模块输出端经隔离开关管驱动模块与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接；支路电流比计算模块、高速CAN通信模块与DSP控制器模块双向电性连接，高速CAN通讯模块还与整车的主控单元电性连接。所述输电线束包括正极输电线束和负极输电线束，正极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，负极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，所述滤波电容C1一端与第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C1的另一端与第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块之间的负极输电线束电性连接并接地，所述滤波电容C2一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C2的另一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的负极输电线束电性连接并接地。第一电压电流采样及短路监视模块用以对输入端的输电线束的电流电压情况进行监控并将监控数据传输至DSP控制模块内，能够迅速响应电路出现过流或短路的情况，第二电压电流采样及短路监测模块用以对输出端的输电线束的电流电压情况进行监控并将监控数据传输至DSP控制模块内，能够迅速响应电路出现过流或短路的情况，支路电流采集模块用以采集储能元件及功率隔离开关管模块内每条电感支路的实时电流值并传输至DSP控制模块内，高精度温度传感器模块用以采集储能元件及功率隔离开关管模块内部的电感支路和功率开关支路中的实时温度，所述高精度温度传感器模块采集温度后经过数据滤波、整合数据处理后得到各支路实时温度，并传输至DSP控制模块内，支路电流比计算模块用以调取DSP控制模块中的数据对采集的各支路电流进行计算得出比值。当变换器处于较为恶劣的环境下大功率长时间运行时，会导致电源供电不稳定，使得DSP控制器无法正常工作，进而无法对储能元件及功率开关管模块进行调控，进而会导致供电更加不稳定，形成恶性循环，因此，通过设置辅助电源模块单独对DSP控制器模块进行供电，使得DSP控制器模块运行稳定，不受外界电源环境影响，能够更好的对储能元件及功率开关管模块进行调控。
具体的，所述储能元件及功率开关模块包括多条功率开关支路，功率开关支路的一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的正极输电线束电性连接，功率开关支路的另一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的负极输电线束以及第一电压电流采样及短路监测模块输出端的负极输电线束电性连接，每个功率开关支路上串联有两个隔离开关管Q，隔离开关管Q的漏极设置在靠近正极输电线束的一端，隔离开关管Q的源极设置在靠近负极输电线束的一端，每个功率开关支路的两个隔离开关管Q之间连接有电感支路，电感支路上串联有一个电感L，电感支路与支路电流采集模块电性连接。隔离开关管为碳化硅开关管。
具体的，所述支路电流采集模块内含有霍尔传感器支路，霍尔传感器支路上串联有霍尔传感器，霍尔传感器支路的数量与功率开关支路的数量一致，霍尔传感器支路均与正极输电线束电性连接，一条霍尔传感器支路对应与储能元件及功率开关模块中的一条电感支路电性连接。每个霍尔传感器支路能够检测一个支路的实时电流。通过采用支路电流采集模块负责采集各相支路实时电流，并传输至DSP控制器模块，高精度温度传感器模块负责采集储能元件及功率开关管模块中电感、隔离开关管的实时温度，经数据滤波、整合等数据处理后得到各支路实时温度，并传输至DSP控制器模块，第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块分别负责采集输入端电压电流和输出端电压电流，同时负责实时监测输入输出端电流，能够迅速响应电路出现过流或短路的情况，并迅速将警示信号传输至DSP控制器模块，DSP控制器模块在经过计算将调控指令传输至隔离开关管驱动模块，隔离开关管驱动模块通过隔离开关管驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，同时保证各相支路实时电流和输出电压达到安全的稳定值，提升变换器各项性能。此外，DSP控制模块还能及时对第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块的异常数据进行处理，便于系统进入保护状态，直至故障移除。
本发明的具体实施过程如下：一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法，包含以下步骤：
(1)支路电流比计算模块通过DSP控制器模块获取各相支路实时温度值，进行滤波处理后，得到各相支路实时温度值T1、T2、…、Tn，其中，n为支路相数总和，n为正整数，n的取值不大于12；
(2)令T＝T1+T2+...+Tn，
则计算得到各相支路实时电流比为
Figure GDA0003300664820000071
其中，α为温度补偿系数，取值范围为0.01≤α≤0.05，此时，支路电流比计算模块将计算得到的支路实时电流比传输至DSP控制器模块；
(3)DSP控制器模块通过第一电压电流采样及短路监测模块获取实时输入电流值Iin，通过第二电压电流采样及短路监测模块获取实时输出端电压值Uout，通过高速CAN通讯模块获取整车实时需求输入电流值Iset，通过支路电流采集模块获取各支路实时电流值I1、I2、…、In；
(4)DSP控制器模块比较实时输入电流值Iin和整车实时需求输入电流值Iset的大小，比较实时输出端电压值Uout和最大限定输出电压值Um的大小，若Iin≠Iset，则通过隔离开关管Q驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，同时保证各相支路实时电流比为步骤(2)中计算得到的电流比，直至Iin＝Iset，调整过程中，若出现输出端电压值Uout大于最大限定输出电压值Um，即Uout＞Um，则调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，直至Uout＝Um，此时，停止调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，上述最大限定输出电压值Um为氢燃料电池汽车动力锂电池充满电时的最大电压值。
通过比较实时输出端电压值Uout和最大限定输出电压值Um的大小，实时输入电流值Iin和整车实时需求输入电流值Iset的大小，通过隔离开关管Q驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，保证各支路温差均衡，实现了智能化控制，提升了变换器的各项性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法，所述氢燃料电池DC-DC变换器装置包括：第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块、DSP控制模块、支路电流比计算模块、隔离开关管驱动模块、辅助电源模块和高速CAN通讯模块，输电线束接入第一电压电流采样及短路监测模块内，第一电压电流采样及短路监测模块经滤波电容C1与支路电流采集模块输入端电性连接，支路电流采集模块输出端与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接，储能元件及功率隔离开关管模块输出端经滤波电容C2与第二电压电流采样及短路监测模块输入端电性连接，第二电压电流采样及短路监测模块输出端接出输电线束，辅助电源模块输出端和储能元件及功率隔离开关管模块中的高精度温度传感器模块输出端均与DSP控制器模块输入端电性连接，支路电流采集模块、第一电压电流采样及短路监测模块和第二电压电流采样及短路监测模块均与DSP控制器模块输入端电性连接，DSP控制器模块输出端经隔离开关管驱动模块与储能元件及功率隔离开关管模块输入端电性连接；支路电流比计算模块、高速CAN通信模块与DSP控制器模块双向电性连接，高速CAN通讯模块还与整车的主控单元电性连接，所述输电线束包括正极输电线束和负极输电线束，正极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，负极输电线束依次经过第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块和第二电压电流采样及短路监测模块并输出，所述滤波电容C1一端与第一电压电流采样及短路监测模块、支路电流采集模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C1的另一端与第一电压电流采样及短路监测模块、储能元件及功率隔离开关管模块之间的负极输电线束电性连接并接地，所述滤波电容C2一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的正极输电线束电性连接，所述滤波电容C2的另一端与储能元件及功率隔离开关管模块、第二电压电流采样及短路监测模块之间的负极输电线束电性连接并接地，所述储能元件及功率开关模块包括多条功率开关支路，功率开关支路的一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的正极输电线束电性连接，功率开关支路的另一端与第二电压电流采样及短路监测模块输入端的负极输电线束以及第一电压电流采样及短路监测模块输出端的负极输电线束电性连接，每个功率开关支路上串联有两个隔离开关管Q，隔离开关管Q的漏极设置在靠近正极输电线束的一端，隔离开关管Q的源极设置在靠近负极输电线束的一端，每个功率开关支路的两个隔离开关管Q之间连接有电感支路，电感支路上串联有一个电感L，电感支路与支路电流采集模块电性连接，其特征在于，所述变换器装置的电流控制方法包含以下步骤：
(1)支路电流比计算模块通过DSP控制器模块获取各相支路实时温度值，进行滤波处理后，得到各相支路实时温度值T1、T2、...、Tn，其中，n为支路相数总和，n为正整数；
(2)令T＝T1+T2+...+Tn，
则计算得到各相支路实时电流比为
Figure FDA0003324962680000021
其中，α为温度补偿系数，取值范围为0.01≤α≤0.05，此时，支路电流比计算模块将计算得到的支路实时电流比传输至DSP控制器模块；
(3)DSP控制器模块通过第一电压电流采样及短路监测模块获取实时输入电流值Iin，通过第二电压电流采样及短路监测模块获取实时输出端电压值Uout，通过高速CAN通讯模块获取整车实时需求输入电流值Iset，通过支路电流采集模块获取各支路实时电流值I1、I2、…、In；
(4)DSP控制器模块比较实时输入电流值Iin和整车实时需求输入电流值Iset的大小，比较实时输出端电压值Uout和最大限定输出电压值Um的大小，若Iin≠Iset，则通过隔离开关管Q驱动模块逐渐调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，同时保证各相支路实时电流比为步骤(2)中计算得到的电流比，直至Iin＝Iset，调整过程中，若出现输出端电压值Uout大于最大限定输出电压值Um，即Uout＞Um，则调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小，直至Uout＝Um，此时，停止调整各相支路PWM脉冲信号占空比大小。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中n的取值不大于12。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池DC-DC变换器装置的电流控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中最大限定输出电压值Um为氢燃料电池汽车动力锂电池充满电时的最大电压值。
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