高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)，燃料電池輸出接入一個升降壓DC/DC變換器輸出后與燃料電池并聯(lián)。其中DC/DC變換器采用三模式雙頻雙沿的控制策略。將由MOS管控制器與MOS管組成的低壓降智能二極管串聯(lián)在燃料電池輸出級與母線之間，起到防止燃料電池電流倒灌的作用，同時最大程度上減小了正向損耗。在控制方面，采用M4單片機進行多個輸入輸出節(jié)點的綜合控制，在保證燃料電池平穩(wěn)輸出的前提下，通過鋰電池充放電的形式補償功率輸出、回收多余能量。
【專利說明】
高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及電力電子技術(shù)、新能源的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及新型的高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重。隨著資源的逐漸枯竭與環(huán)境的日益惡化，清潔能源和可再生能源受到了廣泛的關(guān)注。氫能是一種環(huán)境友好型的能源，排放物中無有害物質(zhì)，而燃料電池可將氫氣的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。
[0003]由于燃料電池的伏安特性較軟且輸出功率響應(yīng)較慢，在功率密度變化較快的場合不能迅速做出反應(yīng)，因此單獨使用燃料電池進行供電很難滿足實際生產(chǎn)的需求。為了彌補燃料電池自身輸出特性的不足，通常采用燃料電池與輔助動力源相結(jié)合的混合動力系統(tǒng)。目前，燃料電池和輔助動力源間的組合方式較多，能量管理策略也各有不同。90年代以來，眾多汽車公司致力于燃料電池混合動力機車的研制，并取得了豐碩成果。此外，燃料電池混合動力系統(tǒng)在軍事和航天領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。
[0004]普通的燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多個DC/DC變換器進行控制，增大了損耗，降低了整體效率。此外，普遍采用的串聯(lián)二極管對燃料電池進行防倒灌保護的方案，不僅存在正向?qū)〒p耗過大的問題，還存在普通二極管容易被擊穿等隱患。一些拓撲結(jié)構(gòu)相對簡單的混合動力系統(tǒng)存在控制方法不足等缺點，因此母線電壓的波動較大，對負載造成不利的影響，同時無法適應(yīng)輸出功率波動較大的場合。因此，設(shè)計出一種全新的高效混合動力系統(tǒng)，其具有較高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益，具有相當廣闊的市場前景。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點，本實用新型的目的是，設(shè)計出一種新型的高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)，適用于家庭汽車、二輪車等小功率交通工具，能有效對能量進行分配與管理。當負載的功率需求變化時，鋰電池能快速跟蹤負載的功率變化，起到對功率削峰填谷的作用;而燃料電池的輸出功率波動較小且變化很慢，處于較為穩(wěn)定的輸出狀態(tài)。混合動力系統(tǒng)大大提高了整體的效率，并減小系統(tǒng)體積，可應(yīng)用在多個領(lǐng)域。
[0006]本實用新型的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的:一種高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)，燃料電池輸出接入一個升降壓DC/DC變換器輸出后串聯(lián)智能二極管SD再與鋰電池LC并聯(lián);控制器MCU進行多個輸入輸出節(jié)點的綜合控制；升降壓DC/DC變換器采用四開關(guān)Buck-Boost拓補，由ABCD四個MOS管與電感L組成;A、B兩個MOS管構(gòu)成BUCK電路，C、D兩個MOS管構(gòu)成BOOST電路，其輸出端連接智能二極管SD。
[0007]由一個MOS管控制器與一個MOS管構(gòu)成作為低壓降的智能二極管SD串聯(lián)在燃料電池輸出級與母線之間。
[0008]控制器MCU實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并使用串級PID控制器調(diào)整母線電壓的鉗位值，進行整體控制。
[0009]控制器M⑶通過三模式雙頻雙沿的控制方法對升降壓DC/DC變換器進行控制。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型技術(shù)的有益效果是:
[0011]I)采用多種技術(shù)手段，如以智能二極管代替普通二極管、采用四開關(guān)拓撲的升降壓DC/DC變換器等，提高系統(tǒng)整體效率的同時也提高了系統(tǒng)的控制性能。
[0012]2)整個系統(tǒng)僅采用一個升降壓DC/DC變換器，拓撲結(jié)構(gòu)簡單有效，大大減少了元件數(shù)目，縮減成本的同時增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0013]3)使用串級PID控制算法對母線電壓進行調(diào)整，具有響應(yīng)快、超調(diào)量小等優(yōu)點，SP使在功率需求大幅變化甚至階躍變化時同樣能維持燃料電池的平穩(wěn)輸出并提供所需功率。
【附圖說明】
[0014]圖1是混合動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2是本系統(tǒng)米用的升降壓四開關(guān)Buck-Boost電路拓撲。
[0016]圖3是系統(tǒng)的能量管理控制框圖。
【具體實施方式】
[0017]混合動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料電池(FCsystem)和鋰電池(LC:lithium cell)組成的混合動力系統(tǒng)能夠充分利用燃料電池能量密度高和鋰電池動態(tài)響應(yīng)快的特點。由于燃料電池系統(tǒng)輸出的是未經(jīng)調(diào)整的直流電，因此需要級聯(lián)DC/DC變換器(DC/DC converter)才能實現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作。為防止燃料電池電流倒灌，在DC/DC變換器后還需串聯(lián)一個智能二極管SD(smart d1de)，該二極管由TI公司生產(chǎn)的反極性保護智能二極管控制器LM74610與MOSFET組成，當電路發(fā)生反向極性時，控制器關(guān)斷M0SFET，防止鋰電池電流倒灌入燃料電池，并避免了傳統(tǒng)方案串聯(lián)二極管造成的功率損耗較大等問題。鋰電池直接與系統(tǒng)的直流母線相連接。圖1中iFc為燃料電池經(jīng)過DC/DC變換器穩(wěn)壓后的輸出電流，iB為鋰電池的輸出電流，1為負載電流，其中iB的方向隨需求功率改變，當需求功率較大時，iB流出鋰電池，鋰電池處于放電狀態(tài)；當需求功率較小時，iB流入鋰電池，鋰電池處于充電狀
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[0018]整個系統(tǒng)的主體為燃料電池后接的DC/DC變換器。采用四開關(guān)Buck-Boost拓撲，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由A、B、C、D四個M0SEFET管與電感L組成。A、B兩個M0SEFET管構(gòu)成BUCK電路，C、D兩個M0SEFET管構(gòu)成BOOST電路，該拓撲電路輸出電壓Vciut既可以比輸入電壓Vin高，也可以比其低，即具有升降壓功能。該拓撲結(jié)構(gòu)同時還具有開關(guān)管電壓應(yīng)力低、輸入輸出電壓同極性等優(yōu)點。
[0019]圖3是系統(tǒng)的能量管理控制算法框圖。通過數(shù)據(jù)采集電路(電流采集電路可采用ACS712電流傳感器方案，電壓采集電路采用串聯(lián)電阻分壓方案)采集燃料電池的輸出節(jié)點Jl的電壓、電流，鋰電池和母線連接的節(jié)點J2的電壓、電流，對整個系統(tǒng)采用電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)的兩級PI控制，電流控制環(huán)的輸入量包括鋰電池電流U1、燃料電池輸出電流iFc，以及通過對燃料電池以及鋰電池的性能分析得到的參考值iref。電壓控制環(huán)的輸入量包括母線電壓、負載的額定電壓Uref。經(jīng)過兩級PI運算后，將控制變量轉(zhuǎn)化為控f|jljDC/DC變換器的P麗的占空比，并通過單片機MCU內(nèi)部的PffM發(fā)生器來發(fā)出PWM，以此來改變DC/DC的運行狀況。通過電壓控制環(huán)穩(wěn)定燃料電池的輸出電壓，并改變?nèi)剂想姵嘏c鋰電池的輸出功率比。通過電流控制環(huán)引入電流鉗位，將燃料電池的輸出電流限定在很小的變化范圍內(nèi)，基本實現(xiàn)燃料電池的恒功率輸出，從而延長燃料電池的使用壽命。對鋰電池的電流控制可以防止鋰電池過度充電，避免安全事故的發(fā)生。因此，通過對DC/DC變換器的控制，可以實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)中能量的分配與管理。
【主權(quán)項】
1.一種高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池(Fe)輸出接入一個升降壓DC/DC變換器(DC/DC)輸出后串聯(lián)智能二極管(SD)再與鋰電池(LC)并聯(lián);控制器(MCU)進行多個輸入輸出節(jié)點的綜合控制;升降壓DC/DC變換器采用四開關(guān)Buck-Boost拓補，由ABCD四個MOS管與電感(L)組成;A、B兩個MOS管構(gòu)成BUCK電路，C、D兩個MOS管構(gòu)成BOOST電路，其輸出端連接智能二極管(SD)。2.如權(quán)利要求1所述的高效小功率質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池混合動力系統(tǒng)，其特征在于:由一個MOS管控制器與一個MOS管構(gòu)成作為低壓降的智能二極管(SD)串聯(lián)在燃料電池輸出級與母線之間。
【文檔編號】H02M3/158GK205622302SQ201620383040
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】盧華歆, 李奇, 何清晏, 胡曉, 楊斯媛
【申請人】西南交通大學