CN202268710U

CN202268710U - 一种燃料电池能量可控输出装置

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Publication number: CN202268710U
Application number: CN2011202833261U
Authority: CN
Inventors: 全琎; 黄亮; 张锐明; 全书海; 熊荧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2021-08-05

Abstract

实用新型涉及一种燃料电池能量可控输出装置及控制方法，采用模块化结构设计，能量可控输出装置控制燃料电池能量的输出，燃料电池能量可控输出装置包括升压调节模块、降压调节模块、基于CAN总线的主控制模块、故障诊断与报警模块。本实用新型采用2级变换技术，输入电压承受范围宽，输出电压、电流、功率均可控，并可自动跟随负载功率输出能量。本实用新型设计了带上电保护的IGBT驱动电路、故障诊断与报警模块，增强了装置工作的安全性。本实用新型转换效率高，既可用于燃料电池，也可用于其它电压输出范围很宽的能量设备，适合在各种电力电子领域使用。

Description

一种燃料电池能量可控输出装置

技术领域

本实用新型属于一种燃料电池能量输出装置，具体而言是一种应用于具有高效节能、清洁环保、安全性强、可靠性高的燃料电池能量可控输出装置。

背景技术

随着不可再生能源的不断减少，推动新能源的快速发展已经成为当务之急。燃料电池作为一种新能源，清洁环保，节能高效，为能源缺乏难题提供了一个非常好的解决方案。燃料电池变换效率高，对环境的污染几乎为零，体积小，可以在任何时候和地方方便地使用。

然而燃料电池输出特性很软，输出电流越大，输出电压也就越低，这样造成燃料电池输出电压过宽，远远超出各电器设备正常工作电压范围。同时，燃料电池动态响应能力差。受化学变化的影响，燃料电池自身存在着严重的时滞特性，当负载启停频繁、瞬时加载等工况下，如果根据当前燃料供给情况不能输出满足负载所需求的功率时，燃料电池发动机就会处于过载状况，会造成燃料电池性能的明显衰减。因此，燃料电池必须配备功率变换器来调节、控制和管理能量输出，以得到符合要求的电能。为满足燃料电池发电应用的要求，针对燃料电池发电的电力电子变换装置与技术的研究已成为了一项重要课题。

电力变换是燃料电池发电的重要环节，直接关系到整个电源系统的电能质量、安全和可靠性等。目前市场上大部分采用开关电源作为燃料电池承接负载的中间设备，并无单独适用于燃料电池输出特性的能量调节设备。目前已有的大功率开关电源具有以下缺陷：

1)输入范围窄。目前已有的开关电源装置输入范围很窄，只是允许输入纹波在一定范围内波动，而燃料电池输出特性偏软，输出范围随功率变化有非常大的变换范围，有的甚至超过3倍的变换，有的输入输出关系动态变化出现又有升压又有降压的情形。

2)输出电压固定。目前已有的开关电源装置控制方案输出方式有限，只能按照系列等级固定电压输出，用户不能自主进行随意改变，更不能进行能量控制，不能根据用户需要进行输出动态控制。

3)转换效率低。大功率电源属于强电产品，电流大、功率器件发热量大，如果电路设计不好，很容易造成器件发热厉害，控制策略不当也会严重影响电源转换效率，浪费能源。

4)控制精度低。目前大功率电源装置随输入干扰及负载变换的影响下，动态响应能力差，不能准确、快速的控制电源装置的输出，微控制器输出的占空比不稳定，控制精度差。

5)安全稳定性差。大功率电源电流大、电压高，因此对功率器件的要求都很高，如未采用安全保护电路和软件控制设计，在使用过程中产生的大电流容易烧坏功率模块的元器件。

尽管大功率电源装置随着电子科技的进步已有了长足的发展，但随着新能源新设备的出现，仍有不少问题需进一步研究解决，特别是适合于燃料电池特点的新型电力调节设备急需研究开发。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种输入电压范围宽，输出能量可控，高效节能，运行可靠性高的燃料电池能量可控输出装置，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种燃料电池能量可控输出装置，采用模块化结构设计，能量可控输出装置控制燃料电池能量的输出，该装置包括升压调节模块、降压调节模块、基于CAN总线的主控制模块、故障诊断与报警模块，基于CAN总线的主控制模块分别与升压调节模块、降压调节模块、故障诊断与报警模块相连接，其特点是：燃料电池输出正极(+)通过电流检测1与升压调节模块的输入端U_1I+相连，燃料电池输出负极(-)与升压调节模块的输入端U_1I-相连，升压调节模块的输出端U_1O+与降压调节模块的输入端U_2I+相连，升压调节模块的输出端U_1O-与降压调节模块的输入端U_2I-相连，燃料电池输出电能经升压调节模块与降压调节模块两级变换后，输出电压、电流、功率均可控的直流电能；降压调节模块输出端U_2O+通过电流检测2与蓄电池的正极(+)相连，降压调节模块输出端U_2O-与蓄电池负极(-)相连；同时蓄电池的正极(+)通过电流检测3与负载正极(+)相连，蓄电池的负极(-)与负载负极(-)相连，蓄电池与燃料电池一起参与能量的分配。

上述方案中，所述基于CAN总线的主控制模块包括微控制器(MCU)、A/D采样电路、带上电保护的IGBT驱动电路、散热风扇控制电路、蜂鸣器与数码显示控制电路、CAN总线与RS-485总线接口电路；A/D采样电路的输入引脚I_in与电流检测1的信号输出相连，输入引脚U_in与电压检测1的信号输出相连，输入引脚T₁与温度检测1的信号输出相连，输入引脚T₂与温度检测2的信号输出相连，输入引脚I_out与电流检测2的信号输出相连，输入引脚U_out与电压检测2的信号输出相连，输入引脚I_load与电流检测3的信号输出相连，检测信号经A/D采样后通过SPI接口输入给MCU处理；MCU的PWM单元输出引脚PWM1和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚A1、B1相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G1与升压调节模块的功率管VT1的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VT1的集电极、发射极相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G2与降压调节模块的功率管VT2的控制级相连，输入引脚C2、E2分别与功率管VT2的集电极、发射极相连，MCU产生两路PWM信号，经过带上电保护的IGBT驱动电路后同时驱动升压调节模块和降压调节模块；散热风扇控制电路由MCU的I/O口控制，输出与继电器隔离相连，控制散热风扇的启停；蜂鸣器与数码显示控制电路由MCU的I/O单元隔离驱动；主控制模块同时集成CAN总线与RS-485总线接口，实现远程在线监控和故障诊断。

上述方案中，所述带上电保护的驱动电路包括反相驱动器、电平幅值转换器、驱动模块及电阻、电容、二极管；微控制器(MCU)输出引脚PWM1、PWM2与反相驱动器的输入引脚A1、B1相连，将MCU发出的DPWM1、DPWM2信号翻转成驱动信号NPWM1、NPWM2；反相驱动器的使能引脚CS与MCU的I/O引脚相连，反相驱动器的使能由MCU的I/O引脚输出IGBTEN信号来控制；反相驱动器的输出引脚X1与电平幅值转换器的输入引脚A2相连，反相驱动器的输出引脚Y1与电平幅值转换器的输入引脚B2相连，电平幅值转换器的输出引脚X2与驱动模块的输入引脚INA相连，电平幅值转换器的输出引脚Y2与驱动模块的输入引脚INB相连，电平幅值转换器将VCC标准电平的驱动信号NPWM1、NPWM2转换成VDD1标准电平的驱动信号ZPWM1、ZPWM2；MCU的功率保护引脚PDPINTA连接二极管D3的阳极，同时通过R1电阻上拉到VCC电源，D3的阴极与驱动模块的SO引脚相连，同时通过R2电阻上拉到VDD2电源；IGBT发生短路故障时，驱动模块SO引脚输出低电平信号，二极管D3导通，Fault1信号被二极管D3箝位为低电平，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。

上述方案中，故障诊断与报警模块实时监测能量可控输出装置的状态信息，并通过RS-485接口远距离传送出去，经由RS-485/RS-232转换器传送给PC机显示处理，当该装置出现故障时，自动进行功率输出保护，并通过LED显示相应的故障代码及蜂鸣报警，PC机同时显示故障信息和故障位置。

本实用新型突破了使用传统结构的电源装置限制，由于采用模块化结构设计，使用户组装方便，结构改造也变得极其方便、实用；采用两级变换单元，大大扩大了工作电压的输入范围；采用带上电保护的IGBT驱动电路，保护IGBT模块在上电情况下及受到外部干扰时的安全稳定运行；采用4组合式PID控制器，使电压、电流、功率都可控制输出；采用软启动、故障诊断与专家系统技术，增强了装置的稳定性和安全性。本实用新型运行状况可靠、稳定。

本实用新型即可用于燃料电池，也可用于其它电压输出范围很宽的能量设备，适合在各种电力电子领域使用。主控模块的微控制器(MCU)可以为DSP系列芯片、PIC系列芯片，也可为其它各种单片机控制芯片，均应纳入在本实用新型的权利保护范围内。

附图说明

为了进一步理解本实用新型，作为说明书一部分的附图指示了本实用新型的实施例，而所作的说明用于解释本实用新型的原理。

图1为本实用新型的系统结构原理框图。

图2为本实用新型的带上电保护的IGBT驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本实用新型的限制。

本实用新型主体结构如图1所示，采用模块化控制结构，能量可控输出装置控制燃料电池能量的输出，主要由升压调节模块、降压调节模块、基于CAN总线的主控制模块、故障诊断与报警模块组成。在本实施例中，该装置输出功率可达6KW。

升压调节模块电路原理图如图1所示，由升压斩波电路组成。燃料电池输出正极(+)通过电流检测1与升压调节模块的输入端U_1I+相连，燃料电池输出负极(-)与升压调节模块的输入端U_1I-相连，主控制模块发出PWM驱动信号给升压调节模块，使燃料电池的输出电压升高至一定电压值。本实施例中，升压调节模块将燃料电池输出电压由29V-76V可升压至65-76V。

降压调节模块电路原理图如图1所示，由降压斩波电路组成。降压调节模块的输入端U_2I+与升压调节模块的输出端U_1O+相连，降压调节模块的输入端U_2I-与升压调节模块的输出端U_1O-相连，主控制模块发出PWM驱动信号给降压调节模块，使燃料电池经升压调节模块升上去的电压降低至可控电压值。本实施例中，降压调节模块将升压调节模块的输出电压由65-76V降压至用户给定电压值43-58V。

基于CAN总线的主控制模块为能量可控输出装置的核心，主要由微控制器(MCU)、A/D采样电路、带上电保护的IGBT驱动电路、散热风扇控制电路、蜂鸣器与数码显示控制电路、CAN总线与RS-485总线接口电路组成。在本实施例中，MCU为TI公司的电机专用控制DSP芯片TMS320LF2407。A/D采样电路实时采集输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、负载电流、升压调节模块温度以及降压调节模块温度信号，经滤波后传给A/D芯片转换成数字信号，最后通过SPI接口输入给MCU处理。MCU的PWM单元输出引脚PWM1和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚A1、B1相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G1与升压调节模块的功率管VT1的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VT1的集电极、发射极相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G2与降压调节模块的功率管VT2的控制级相连，输入引脚C2、E2分别与功率管VT2的集电极、发射极相连，MCU产生两路PWM信号，经过带上电保护的IGBT驱动电路后同时驱动升压调节模块和降压调节模块。散热风扇控制电路由MCU的I/O口控制，输出与继电器隔离相连，控制散热风扇的启停。蜂鸣器与数码显示控制电路由MCU的I/O单元隔离驱动，数码管分时显示输出电压、输出电流及输出功率状态信息，并在故障状态下显示故障代码。CAN总线接口为主控制模块与用户之间的控制接口，用户根据实际能量需要给出输出电压、电流或输出功率的给定值信号，经过CAN总线接口电路后传送给MCU，作为给定信号参考值。RS-485总线接口可连接控制器或外接RS-485/RS-232转换器后连接PC机，实时提供本实用新型装置的工作状态和故障信息，实现远程在线监测和故障诊断。

在本实施例中，升压调节模块与降压调节模块的功率开关管为IGBT，带上电保护的驱动电路如图2所示，由反相驱动器、电平幅值转换器、驱动模块及电阻、电容、二极管组成，保障IGBT在初始系统上电状态下的安全关闭。反相驱动器接收来自MCU输出的DPWM1、DPWM2信号并将该信号翻转成驱动信号NPWM1、NPWM2，反相驱动器的使能端由MCU输出的IGBTEN信号来控制，电平幅值转换器将VCC标准电平的驱动信号NPWM1、NPWM2转换成VDD1标准电平的信号ZPWM1、ZPWM2输入给驱动模块。本实施例中VCC电平为3.3V，VDD1电平为5V，电平幅值转换器为744245系列芯片，驱动模块为2SC0435T。如VCC电平为5V标准电平，则可不需要电平幅值转换器。一旦IGBT短路故障发生，驱动模块SO引脚输出低电平信号，二极管D3导通，Fault1信号被二极管D3箝位为低电平，输出给MCU的外部中断引脚PDPINT，由MCU内嵌软件进行故障处理程序。

蓄电池与燃料电池一起参与能量的分配。蓄电池的正极(+)与降压调节模块输出端U_2O+通过电流检测2相连，蓄电池负极(-)与降压调节模块输出端U_2O-相连，电流检测2采样能量可控输出装置的输出电流I_out。同时蓄电池的正极(+)通过电流检测3与负载正极(+)相连，蓄电池的负极(-)与负载负极(-)相连，电流检测3采样负载电流I_load，流经蓄电池电流I_b由I_load-I_out计算得出。在本实施例中，U_in-、U_1I-、U_1O-、U_2I-、U_2O-、U_out-在电气连接上实为同一参考点“地”。当I_load-I_out＞0时，燃料电池和蓄电池同时放电，两者能量释放的多少由用户通过控制能量可控输出装置的输出来分配，本实施例中，通过电流模式或者电压模式或者功率控制模式来实现。当I_load-I_out＝0时，蓄电池处于不充不放的状态，这时候负载所需能量全部由燃料电池来提供，能量可控输出装置也即工作在负载功率跟随模式下；当I_load-I_out＜0时，燃料电池除提供负载所需能量外，还向蓄电池充电，充电多少及充电方式由用户根据蓄电池的荷电状态来决定，本实施例中既可以采用电压控制模式进行恒压充电，也可采用电流控制模式恒流充电。

主控模块采用软启动算法同时控制升压调节模块和降压调节模块。在开机启动和控制模式改变时，升压调节模块与降压调节模块的驱动信号以当前控制值为基础缓慢增加或减少，使燃料电池的能量输出缓慢变化，抑制电压、电流的突变。

故障诊断与报警模块由蜂鸣器、LED、PC机监控系统组成。主控制模块实时采集电压、电流及温度等能量可控输出装置的状态信息，并通过RS-485接口远距离传送出去，经由RS-485/RS-232转换器传送给PC机处理，主控制模块与PC机监控系统都能实时诊断欠压、过压、过流、过温以及传感器安装失灵症状，当该装置出现故障时，自动进行功率输出保护，并通过LED显示相应的故障代码及蜂鸣报警，PC机同时显示故障信息和位置。

最后应说明，本实用新型的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切不脱离本实用新型技术方案的精神和范围的修改和替换，均应纳入在本实用新型的权利要求范围当中。本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种燃料电池能量可控输出装置，包括升压调节模块、降压调节模块、基于CAN总线的主控制模块、故障诊断与报警模块，基于CAN总线的主控制模块分别与升压调节模块、降压调节模块、故障诊断与报警模块相连接，其特征在于：燃料电池输出正极通过电流检测1与升压调节模块的输入端U_1I+相连，燃料电池输出负极与升压调节模块的输入端U_1I-相连，升压调节模块的输出端U_1O+与降压调节模块的输入端U_2I+相连，升压调节模块的输出端U_1O-与降压调节模块的输入端U_2I-相连，燃料电池输出电能经升压调节模块与降压调节模块两级变换后，输出电压、电流、功率均可控的直流电能；降压调节模块输出端U_2O+通过电流检测2与蓄电池的正极相连，降压调节模块输出端U_2O-与蓄电池负极相连；同时蓄电池的正极通过电流检测3与负载正极相连，蓄电池的负极与负载负极相连。

2.如权利要求1所述的燃料电池能量可控输出装置，其特征在于：所述基于CAN总线的主控制模块包括微控制器MCU、A/D采样电路、带上电保护的IGBT驱动电路、散热风扇控制电路、蜂鸣器与数码显示控制电路、CAN总线与RS-485总线接口电路；A/D采样电路的输入引脚I_in与电流检测1的信号输出相连，输入引脚U_in与电压检测1的信号输出相连，输入引脚T₁与温度检测1的信号输出相连，输入引脚T₂与温度检测2的信号输出相连，输入引脚I_out与电流检测2的信号输出相连，输入引脚U_out与电压检测2的信号输出相连，输入引脚I_load与电流检测3的信号输出相连，检测信号经A/D采样后通过SPI接口输入给MCU处理；MCU的PWM单元输出引脚PWM1和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚A1、B1相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G1与升压调节模块的功率管VT1的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VT1的集电极、发射极相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚G2与降压调节模块的功率管VT2的控制级相连，输入引脚C2、E2分别与功率管VT2的集电极、发射极相连，MCU产生两路PWM信号，经过带上电保护的IGBT驱动电路后同时驱动升压调节模块和降压调节模块；散热风扇控制电路由MCU的I/O口控制，输出与继电器隔离相连，控制散热风扇的启停；蜂鸣器与数码显示控制电路由MCU的I/O单元隔离驱动；主控制模块同时集成CAN总线与RS-485总线接口，实现远程在线监控和故障诊断。

3.如权利要求2所述的燃料电池能量可控输出装置，其特征在于：所述带上电保护的IGBT驱动电路包括反相驱动器、电平幅值转换器、驱动模块及电阻、电容、二极管；微控制器(MCU)输出引脚PWM1、PWM2与反相驱动器的输入引脚A1、B1相连，将MCU发出的DPWM1、DPWM2信号翻转成驱动信号NPWM1、NPWM2；反相驱动器的使能引脚CS与MCU的I/O引脚相连，反相驱动器的使能由MCU的I/O引脚输出IGBTEN信号来控制；反相驱动器的输出引脚X1与电平幅值转换器的输入引脚A2相连，反相驱动器的输出引脚Y1与电平幅值转换器的输入引脚B2相连，电平幅值转换器的输出引脚X2与驱动模块的输入引脚INA相连，电平幅值转换器的输出引脚Y2与驱动模块的输入引脚INB相连，电平幅值转换器将VCC标准电平的驱动信号NPWM1、NPWM2转换成VDD1标准电平的驱动信号ZPWM1、ZPWM2；MCU的功率保护引脚PDPINTA连接二极管D3的阳极，同时通过R1电阻上拉到VCC电源，D3的阴极与驱动模块的SO引脚相连，同时通过R2电阻上拉到VDD2电源；IGBT发生短路故障时，驱动模块SO引脚输出低电平信号，二极管D3导通，Fault1信号被二极管D3箝位为低电平，MCU检测到该低电平信号进行故障处理。

4.如权利要求1所述的燃料电池能量可控输出装置，其特征在于：故障诊断与报警模块实时监测能量可控输出装置的状态信息，并通过RS-485接口远距离传送出去，经由RS-485/RS-232转换器传送给PC机显示处理，当该装置出现故障时，自动进行功率输出保护，并通过LED显示相应的故障代码及蜂鸣报警，PC机同时显示故障信息和故障位置。