專利名稱：一種燃料電池能量可控輸出裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種燃料電池能量輸出裝置，具體而言是一種應用于具有高效節能、清潔環保、安全性強、可靠性高的燃料電池能量可控輸出裝置。
背景技術：
隨著不可再生能源的不斷減少，推動新能源的快速發展已經成為當務之急。燃料電池作為一種新能源，清潔環保，節能高效，為能源缺乏難題提供了一個非常好的解決方案。燃料電池變換效率高，對環境的污染幾乎為零，體積小，可以在任何時候和地方方便地使用。然而燃料電池輸出特性很軟，輸出電流越大，輸出電壓也就越低，這樣造成燃料電池輸出電壓過寬，遠遠超出各電器設備正常工作電壓范圍。同時，燃料電池動態響應能力差。受化學變化的影響，燃料電池自身存在著嚴重的時滯特性，當負載啟停頻繁、瞬時加載等工況下，如果根據當前燃料供給情況不能輸出滿足負載所需求的功率時，燃料電池發動機就會處于過載狀況，會造成燃料電池性能的明顯衰減。因此，燃料電池必須配備功率變換器來調節、控制和管理能量輸出，以得到符合要求的電能。為滿足燃料電池發電應用的要求，針對燃料電池發電的電力電子變換裝置與技術的研究已成為了一項重要課題。電力變換是燃料電池發電的重要環節，直接關系到整個電源系統的電能質量、安全和可靠性等。目前市場上大部分采用開關電源作為燃料電池承接負載的中間設備，并無單獨適用于燃料電池輸出特性的能量調節設備。目前已有的大功率開關電源具有以下缺陷1)輸入范圍窄。目前已有的開關電源裝置輸入范圍很窄，只是允許輸入紋波在一定范圍內波動，而燃料電池輸出特性偏軟，輸出范圍隨功率變化有非常大的變換范圍，有的甚至超過3倍的變換，有的輸入輸出關系動態變化出現又有升壓又有降壓的情形。2)輸出電壓固定。目前已有的開關電源裝置控制方案輸出方式有限，只能按照系列等級固定電壓輸出，用戶不能自主進行隨意改變，更不能進行能量控制，不能根據用戶需要進行輸出動態控制。3)轉換效率低。大功率電源屬于強電產品，電流大、功率器件發熱量大，如果電路設計不好，很容易造成器件發熱厲害，控制策略不當也會嚴重影響電源轉換效率，浪費能源。4)控制精度低。目前大功率電源裝置隨輸入干擾及負載變換的影響下，動態響應能力差，不能準確、快速的控制電源裝置的輸出，微控制器輸出的占空比不穩定，控制精度差。5)安全穩定性差。大功率電源電流大、電壓高，因此對功率器件的要求都很高，如未采用安全保護電路和軟件控制設計，在使用過程中產生的大電流容易燒壞功率模塊的元器件。盡管大功率電源裝置隨著電子科技的進步已有了長足的發展，但隨著新能源新設備的出現，仍有不少問題需進一步研究解決，特別是適合于燃料電池特點的新型電力調節設備急需研究開發。
發明內容本實用新型的目的是提供一種輸入電壓范圍寬，輸出能量可控，高效節能，運行可靠性高的燃料電池能量可控輸出裝置，以克服上述的不足。為了實現上述目的，本實用新型所采用的技術方案是一種燃料電池能量可控輸出裝置，采用模塊化結構設計，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，該裝置包括升壓調節模塊、降壓調節模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊，基于CAN總線的主控制模塊分別與升壓調節模塊、降壓調節模塊、故障診斷與報警模塊相連接，其特點是燃料電池輸出正極(+)通過電流檢測1與升壓調節模塊的輸入端R1+相連，燃料電池輸出負極(_)與升壓調節模塊的輸入端R1-相連， 升壓調節模塊的輸出端U10+與降壓調節模塊的輸入端U21+相連，升壓調節模塊的輸出端 U10-與降壓調節模塊的輸入端U21-相連，燃料電池輸出電能經升壓調節模塊與降壓調節模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；降壓調節模塊輸出端U20+通過電流檢測2與蓄電池的正極⑴相連，降壓調節模塊輸出端U2tr與蓄電池負極㈠相連；同時蓄電池的正極⑴通過電流檢測3與負載正極⑴相連，蓄電池的負極㈠與負載負極(_) 相連，蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配。上述方案中，所述基于CAN總線的主控制模塊包括微控制器(MCU)、A/D采樣電路、 帶上電保護的IGBT驅動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數碼顯示控制電路、CAN總線與 RS-485總線接口電路；A/D采樣電路的輸入引腳Iin與電流檢測1的信號輸出相連，輸入引腳Uin與電壓檢測1的信號輸出相連，輸入引腳T1與溫度檢測1的信號輸出相連，輸入引腳 T2與溫度檢測2的信號輸出相連，輸入引腳I。ut與電流檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Uout 與電壓檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Iltjad與電流檢測3的信號輸出相連，檢測信號經A/ D采樣后通過SPI接口輸入給MCU處理；MCU的P麗單元輸出引腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅動電路的輸入引腳Al、Bl相連，帶上電保護的IGBT驅動電路的輸出引腳 Gl與升壓調節模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl的集電極、發射極相連，帶上電保護的IGBT驅動電路的輸出引腳G2與降壓調節模塊的功率管VT2 的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發射極相連，MCU產生兩路PWM 信號，經過帶上電保護的IGBT驅動電路后同時驅動升壓調節模塊和降壓調節模塊；散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停；蜂鳴器與數碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅動；主控制模塊同時集成CAN總線與RS-485總線接口，實現遠程在線監控和故障診斷。上述方案中，所述帶上電保護的驅動電路包括反相驅動器、電平幅值轉換器、驅動模塊及電阻、電容、二極管；微控制器(MCU)輸出引腳PWM1、PWM2與反相驅動器的輸入引腳 AUBl相連，將M⑶發出的DP麗1、DP麗2信號翻轉成驅動信號NP麗1、NP麗2 ；反相驅動器的使能引腳CS與MCU的I/O引腳相連，反相驅動器的使能由MCU的I/O引腳輸出IGBTEN信號來控制；反相驅動器的輸出引腳Xl與電平幅值轉換器的輸入引腳A2相連，反相驅動器的輸出引腳Yl與電平幅值轉換器的輸入引腳B2相連，電平幅值轉換器的輸出引腳X2與驅動模塊的輸入引腳INA相連，電平幅值轉換器的輸出引腳Y2與驅動模塊的輸入引腳INB相連， 電平幅值轉換器將VCC標準電平的驅動信號NPWM1、NPWM2轉換成VDDl標準電平的驅動信號ZPWM1、ZPWM2 ；M⑶的功率保護引腳PDPINTA連接二極管D3的陽極，同時通過Rl電阻上拉到VCC電源，D3的陰極與驅動模塊的SO引腳相連，同時通過R2電阻上拉到VDD2電源； IGBT發生短路故障時，驅動模塊SO引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，Faultl信號被二極管D3箝位為低電平，MCU檢測到該低電平信號進行故障處理。上述方案中，故障診斷與報警模塊實時監測能量可控輸出裝置的狀態信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經由RS-485/RS-232轉換器傳送給PC機顯示處理，當該裝置出現故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和故障位置。本實用新型突破了使用傳統結構的電源裝置限制，由于采用模塊化結構設計，使用戶組裝方便，結構改造也變得極其方便、實用；采用兩級變換單元，大大擴大了工作電壓的輸入范圍；采用帶上電保護的IGBT驅動電路，保護IGBT模塊在上電情況下及受到外部干擾時的安全穩定運行；采用4組合式PID控制器，使電壓、電流、功率都可控制輸出；采用軟啟動、故障診斷與專家系統技術，增強了裝置的穩定性和安全性。本實用新型運行狀況可靠、穩定。本實用新型即可用于燃料電池，也可用于其它電壓輸出范圍很寬的能量設備，適合在各種電力電子領域使用。主控模塊的微控制器(MCU)可以為DSP系列芯片、PIC系列芯片，也可為其它各種單片機控制芯片，均應納入在本實用新型的權利保護范圍內。

為了進一步理解本實用新型，作為說明書一部分的附圖指示了本實用新型的實施例，而所作的說明用于解釋本實用新型的原理。圖1為本實用新型的系統結構原理框圖。圖2為本實用新型的帶上電保護的IGBT驅動電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步的描述，但該實施例不應理解為對本實用新型的限制。本實用新型主體結構如圖1所示，采用模塊化控制結構，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，主要由升壓調節模塊、降壓調節模塊、基于CAN總線的主控制模塊、 故障診斷與報警模塊組成。在本實施例中，該裝置輸出功率可達6KW。升壓調節模塊電路原理圖如圖1所示，由升壓斬波電路組成。燃料電池輸出正極 (+)通過電流檢測1與升壓調節模塊的輸入端R1+相連，燃料電池輸出負極㈠與升壓調節模塊的輸入端R1-相連，主控制模塊發出PWM驅動信號給升壓調節模塊，使燃料電池的輸出電壓升高至一定電壓值。本實施例中，升壓調節模塊將燃料電池輸出電壓由29V-76V可升壓至65-76V。降壓調節模塊電路原理圖如圖1所示，由降壓斬波電路組成。降壓調節模塊的輸入端U21+與升壓調節模塊的輸出端U10+相連，降壓調節模塊的輸入端U21-與升壓調節模塊的輸出端連，主控制模塊發出PWM驅動信號給降壓調節模塊，使燃料電池經升壓調節模塊升上去的電壓降低至可控電壓值。本實施例中，降壓調節模塊將升壓調節模塊的輸出電壓由65-76V降壓至用戶給定電壓值43-58V。基于CAN總線的主控制模塊為能量可控輸出裝置的核心，主要由微控制器(MCU)、 A/D采樣電路、帶上電保護的IGBT驅動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數碼顯示控制電路、CAN總線與RS-485總線接口電路組成。在本實施例中，MCU為TI公司的電機專用控制 DSP芯片TMS320LFM07。A/D采樣電路實時采集輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、 負載電流、升壓調節模塊溫度以及降壓調節模塊溫度信號，經濾波后傳給A/D芯片轉換成數字信號，最后通過SPI接口輸入給MCU處理。MCU的PWM單元輸出引腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅動電路的輸入引腳Al、Bl相連，帶上電保護的IGBT驅動電路的輸出引腳Gl與升壓調節模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl 的集電極、發射極相連，帶上電保護的IGBT驅動電路的輸出引腳G2與降壓調節模塊的功率管VT2的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發射極相連，MCU產生兩路PWM信號，經過帶上電保護的IGBT驅動電路后同時驅動升壓調節模塊和降壓調節模塊。 散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停。蜂鳴器與數碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅動，數碼管分時顯示輸出電壓、輸出電流及輸出功率狀態信息，并在故障狀態下顯示故障代碼。CAN總線接口為主控制模塊與用戶之間的控制接口，用戶根據實際能量需要給出輸出電壓、電流或輸出功率的給定值信號，經過CAN總線接口電路后傳送給MCU，作為給定信號參考值。RS-485總線接口可連接控制器或外接RS-485/RS-232轉換器后連接PC機，實時提供本實用新型裝置的工作狀態和故障信息，實現遠程在線監測和故障診斷。在本實施例中，升壓調節模塊與降壓調節模塊的功率開關管為IGBT，帶上電保護的驅動電路如圖2所示，由反相驅動器、電平幅值轉換器、驅動模塊及電阻、電容、二極管組成，保障IGBT在初始系統上電狀態下的安全關閉。反相驅動器接收來自MCU輸出的DPWMl、 DPWM2信號并將該信號翻轉成驅動信號NPWMl、NPWM2,反相驅動器的使能端由MCU輸出的 IGBTEN信號來控制，電平幅值轉換器將VCC標準電平的驅動信號NPWM1、NPWM2轉換成VDDl 標準電平的信號ZPWM1、ZPWM2輸入給驅動模塊。本實施例中VCC電平為3. 3V，VDDl電平為5V，電平幅值轉換器為744245系列芯片，驅動模塊為2SC0435T。如VCC電平為5V標準電平，則可不需要電平幅值轉換器。一旦IGBT短路故障發生，驅動模塊SO引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，Faultl信號被二極管D3箝位為低電平，輸出給MCU的外部中斷引腳 PDPINT,由MCU內嵌軟件進行故障處理程序。蓄電池與燃料電池一起參與能量的分配。蓄電池的正極⑴與降壓調節模塊輸出端U2J通過電流檢測2相連，蓄電池負極㈠與降壓調節模塊輸出端U20-相連，電流檢測2 采樣能量可控輸出裝置的輸出電流I。ut。同時蓄電池的正極⑴通過電流檢測3與負載正極⑴相連，蓄電池的負極㈠與負載負極㈠相連，電流檢測3采樣負載電流IlMd，流經蓄電池電流Ib由ilMd-i。ut計算得出。在本實施例中，uin-、Un-、U1Q-、&-、&-、U。ut-在電氣連接上實為同一參考點“地”。當ilMd-i。ut > 0時，燃料電池和蓄電池同時放電，兩者能量釋放的多少由用戶通過控制能量可控輸出裝置的輸出來分配，本實施例中，通過電流模式或者電壓模式或者功率控制模式來實現。當Iltjad-Itjut = 0時，蓄電池處于不充不放的狀態，這
7時候負載所需能量全部由燃料電池來提供，能量可控輸出裝置也即工作在負載功率跟隨模式下；當I1--Iout <0時，燃料電池除提供負載所需能量外，還向蓄電池充電，充電多少及充電方式由用戶根據蓄電池的荷電狀態來決定，本實施例中既可以采用電壓控制模式進行恒壓充電，也可采用電流控制模式恒流充電。主控模塊采用軟啟動算法同時控制升壓調節模塊和降壓調節模塊。在開機啟動和控制模式改變時，升壓調節模塊與降壓調節模塊的驅動信號以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，使燃料電池的能量輸出緩慢變化，抑制電壓、電流的突變。故障診斷與報警模塊由蜂鳴器、LED、PC機監控系統組成。主控制模塊實時采集電壓、電流及溫度等能量可控輸出裝置的狀態信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經由RS-485/RS-232轉換器傳送給PC機處理，主控制模塊與PC機監控系統都能實時診斷欠壓、過壓、過流、過溫以及傳感器安裝失靈癥狀，當該裝置出現故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和位置。最后應說明，本實用新型的實施僅用于說明技術方案而非限制。一切不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍的修改和替換，均應納入在本實用新型的權利要求范圍當中。本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬于本專業領域技術人員公知的現有技術。
權利要求1.一種燃料電池能量可控輸出裝置，包括升壓調節模塊、降壓調節模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊，基于CAN總線的主控制模塊分別與升壓調節模塊、 降壓調節模塊、故障診斷與報警模塊相連接，其特征在于燃料電池輸出正極通過電流檢測 1與升壓調節模塊的輸入端U11+相連，燃料電池輸出負極與升壓調節模塊的輸入端U11-相連，升壓調節模塊的輸出端Uw+與降壓調節模塊的輸入端U21+相連，升壓調節模塊的輸出端 U10-與降壓調節模塊的輸入端U21-相連，燃料電池輸出電能經升壓調節模塊與降壓調節模塊兩級變換后，輸出電壓、電流、功率均可控的直流電能；降壓調節模塊輸出端U20+通過電流檢測2與蓄電池的正極相連，降壓調節模塊輸出端^r與蓄電池負極相連；同時蓄電池的正極通過電流檢測3與負載正極相連，蓄電池的負極與負載負極相連。
2.如權利要求1所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于所述基于CAN總線的主控制模塊包括微控制器MCU、A/D采樣電路、帶上電保護的IGBT驅動電路、散熱風扇控制電路、蜂鳴器與數碼顯示控制電路、CAN總線與RS-485總線接口電路；A/D采樣電路的輸入引腳Iin與電流檢測1的信號輸出相連，輸入引腳Uin與電壓檢測1的信號輸出相連，輸入引腳T1與溫度檢測1的信號輸出相連，輸入引腳T2與溫度檢測2的信號輸出相連，輸入引腳I。ut與電流檢測2的信號輸出相連，輸入引腳U。ut與電壓檢測2的信號輸出相連，輸入引腳Iltjad與電流檢測3的信號輸出相連，檢測信號經A/D采樣后通過SPI接口輸入給MCU處理；MCU的PWM單元輸出引腳PWMl和PWM2分別與帶上電保護的IGBT驅動電路的輸入引腳 Al、Bl相連，帶上電保護的IGBT驅動電路的輸出引腳Gl與升壓調節模塊的功率管VTl的控制級相連，輸入引腳C1、E1分別與功率管VTl的集電極、發射極相連，帶上電保護的IGBT 驅動電路的輸出引腳G2與降壓調節模塊的功率管VT2的控制級相連，輸入引腳C2、E2分別與功率管VT2的集電極、發射極相連，MCU產生兩路PWM信號，經過帶上電保護的IGBT驅動電路后同時驅動升壓調節模塊和降壓調節模塊；散熱風扇控制電路由MCU的I/O 口控制，輸出與繼電器隔離相連，控制散熱風扇的啟停；蜂鳴器與數碼顯示控制電路由MCU的I/O單元隔離驅動；主控制模塊同時集成CAN總線與RS-485總線接口，實現遠程在線監控和故障診斷。
3.如權利要求2所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于所述帶上電保護的 IGBT驅動電路包括反相驅動器、電平幅值轉換器、驅動模塊及電阻、電容、二極管；微控制器(MCU)輸出引腳PWMl、PWM2與反相驅動器的輸入引腳Al、B1相連，將MCU發出的DPWMl、 DPWM2信號翻轉成驅動信號NPWM1、NPWM2 ；反相驅動器的使能引腳CS與MCU的I/O引腳相連，反相驅動器的使能由MCU的I/O引腳輸出IGBTEN信號來控制；反相驅動器的輸出引腳 Xl與電平幅值轉換器的輸入引腳A2相連，反相驅動器的輸出引腳Yl與電平幅值轉換器的輸入引腳B2相連，電平幅值轉換器的輸出引腳X2與驅動模塊的輸入引腳INA相連，電平幅值轉換器的輸出引腳Y2與驅動模塊的輸入引腳INB相連，電平幅值轉換器將VCC標準電平的驅動信號NPWM1、NPWM2轉換成VDDl標準電平的驅動信號ZPWM1、ZPWM2 ；MCU的功率保護引腳PDPINTA連接二極管D3的陽極，同時通過Rl電阻上拉到VCC電源，D3的陰極與驅動模塊的SO引腳相連，同時通過R2電阻上拉到VDD2電源；IGBT發生短路故障時，驅動模塊SO 引腳輸出低電平信號，二極管D3導通，Faultl信號被二極管D3箝位為低電平，MCU檢測到該低電平信號進行故障處理。
4.如權利要求1所述的燃料電池能量可控輸出裝置，其特征在于故障診斷與報警模塊實時監測能量可控輸出裝置的狀態信息，并通過RS-485接口遠距離傳送出去，經由 RS-485/RS-232轉換器傳送給PC機顯示處理，當該裝置出現故障時，自動進行功率輸出保護，并通過LED顯示相應的故障代碼及蜂鳴報警，PC機同時顯示故障信息和故障位置。
專利摘要實用新型涉及一種燃料電池能量可控輸出裝置及控制方法，采用模塊化結構設計，能量可控輸出裝置控制燃料電池能量的輸出，燃料電池能量可控輸出裝置包括升壓調節模塊、降壓調節模塊、基于CAN總線的主控制模塊、故障診斷與報警模塊。本實用新型采用2級變換技術，輸入電壓承受范圍寬，輸出電壓、電流、功率均可控，并可自動跟隨負載功率輸出能量。本實用新型設計了帶上電保護的IGBT驅動電路、故障診斷與報警模塊，增強了裝置工作的安全性。本實用新型轉換效率高，既可用于燃料電池，也可用于其它電壓輸出范圍很寬的能量設備，適合在各種電力電子領域使用。
文檔編號H02J7/00GK202268710SQ20112028332
公開日2012年6月6日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者全書海, 全琎, 張銳明, 熊熒, 黃亮 申請人:全琎