專利名稱：基于質(zhì)子交換膜燃料電池的dc/dc變換和控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信備用電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于質(zhì)子交換膜燃料電池的通信備用電源的DC/DC變換和控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷的從外部向質(zhì)子交換膜燃料電池供給氫氣和氧氣(或空氣)時，它可以連續(xù)發(fā)電。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機的動力裝置。近年來，采用燃料電池作為通信備用電源在全球部署逐漸起步，目前已有幾千套在網(wǎng)運行。傳統(tǒng)備用電源供電方案，如柴(汽)油發(fā)電機和蓄電池，都具有相當(dāng)大的弊端，柴(汽)油發(fā)電機日常維護復(fù)雜、機組維護與維護技術(shù)要求高，與蓄電池類似，環(huán)境適應(yīng)性差，并且都是重要的環(huán)境污染源，相比于傳統(tǒng)備用電源供電方案，燃料電池備用電源具有適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、可靠性 高、無污染、維護成本低等優(yōu)點。然而，由于燃料電池具有低電壓大電流的輸出電氣特性，并且其U-I輸出曲線偏軟，因此若要采用燃料電池作為備用電源，就必須要對其輸出進行DC-DC轉(zhuǎn)換，以使得其輸出電壓與相應(yīng)負(fù)載需求相匹配。目前，常用的DC-DC變換器按有無變壓器分類可分為隔離型和非隔離性，其中非隔離性包括BUCK、BOOST、BUCKB00ST、CUK、SEPIC、ZETA等；隔離型包括正激式、反激式、推挽式、半橋式、全橋式等。這些常用的DCDC轉(zhuǎn)換器中比較適應(yīng)大電流輸入情況的很少，一般只有全橋式采用的較多，但由于全橋式對功率開關(guān)管采用的數(shù)量較多，并且電路中包含高頻變壓器，就使得變換器在成本方面大幅提高，并且增加了控制的復(fù)雜性，另外高頻變壓器的采用影響了變換器整機結(jié)構(gòu)的緊湊型。因此，提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便于控制并且又適用于大電流輸入情況的DC/DC變換器以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足就顯得十分重要。本發(fā)明就旨在提供一種達(dá)到以上各要求的DC/DC變換器的拓?fù)浼翱刂品椒?，使得采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為通信備用電源更加可
罪聞效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，以滿足大電流輸出特性的質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓實時變換，適應(yīng)通信負(fù)載電壓需求。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，包括主電路模塊和控制電路模塊，所述主電路模塊包括雙級并聯(lián)BUCK變換器，所述雙級并聯(lián)BUCK變換器設(shè)置在質(zhì)子交換膜燃料電池和通信負(fù)載之間；所述控制電路模塊包括DSP控制芯片、IGBT門極驅(qū)動電路單元、霍爾檢測電路單元和輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元；所述IGBT門極驅(qū)動電路單元分別與所述DSP控制芯片的EV輸出端口、TOPINT引腳以及所述雙級并聯(lián)BUCK變換器相連；所述霍爾檢測電路單元一端連接在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的輸出端與通信負(fù)載之間的電路上，另一端與所述輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元相連；所述輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元還與所述DSP控制芯片的ADC輸入端口相連；所述霍爾檢測電路單元采集所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的電流電壓信號，再通過輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片所能采集的電壓信號，所述 DSP控制芯片將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸給IGBT門極驅(qū)動電路單元，所述IGBT門極驅(qū)動電路單元通過PWM驅(qū)動芯片將該控制信號傳輸給所述雙級并聯(lián)BUCK變換器，從而實現(xiàn)電壓的實時調(diào)節(jié)控制。優(yōu)選地，所述控制電路模塊還包括溫度傳感電路單元和散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元，所述溫度傳感器電路單元的一端與所述雙級并聯(lián)BUCK變換器相連，另一端與所述模擬信號調(diào)節(jié)電路單元相連；所述散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元與所述DSP控制芯片相連；所述溫度傳感器電路單元采集到所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的溫度信號，再通過輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片所能采集的電壓信號，所述DSP控制芯片將采集到的該電壓信號轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸?shù)缴犸L(fēng)扇驅(qū)動電路單元進行散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，同時驅(qū)動散熱風(fēng)扇對所述雙級并聯(lián)BUCK變換器進行散熱。優(yōu)選地，所述控制電路模塊還包括與所述DSP控制芯片連接的RS232通信電路單元，所述DC/DC變換及控制系統(tǒng)通過所述RS232通信電路單元與上位機進行通信。優(yōu)選地，所述主電路模塊還包括輸入濾波電容Cin和輸出濾波電容CTOT，所述輸入濾波電容Cin設(shè)置在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器輸入端與質(zhì)子交換膜燃料電池輸出端之間，所述輸出濾波電容Cott設(shè)置在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器輸出端與負(fù)載之間。優(yōu)選地，所述雙級并聯(lián)BUCK變換器是由兩個相同規(guī)格的第一 BUCK變換器和第二BUCK變換器并聯(lián)而成的。優(yōu)選地，所述質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出電壓范圍為O 110V，輸出電流范圍為O 260A，輸出額定功率為7KW。優(yōu)選地，所述第一 BUCK變換器包括開關(guān)管Tl，所述第二 BUCK變換器包括開關(guān)管T2 ;所述DC/DC變換及控制系統(tǒng)采用的控制方法為通過采集第一 BUCK變換器的輸出電壓與設(shè)定輸出電壓值比較，經(jīng)過DSP控制芯片實現(xiàn)PI控制算法，形成反饋控制回路，控制開關(guān)管Tl的占空比dl，從而實現(xiàn)第一BUCK變換器輸出電壓的實時調(diào)節(jié)，與此同時采集第一BUCK變換器的輸出電流信號，并以此作為第二 BUCK變換器的輸出電流信號的參考值，以設(shè)定輸出電壓Vref作為第二 BUCK變換器的輸出電壓的參考值，經(jīng)過對輸出電流電壓的雙閉環(huán)控制，對開關(guān)管T2的占空比d2進行調(diào)節(jié)，從而使得第一 BUCK變換器、第二 BUCK變換器的輸出電壓相等，同時實現(xiàn)了兩個BUCK變換器的均流控制。優(yōu)選地，所述控制算法均通過DSP數(shù)字控制實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點( I)采用雙級并聯(lián)BUCK變換器作為主電路，能夠很好地適應(yīng)燃料電池的大電流輸出特性，并且使得整個變換器的結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，在相同功率級別的變換器中，能夠有效地降低成本；(2)控制電路部分基于DSP控制芯片，所有控制算法完全采用數(shù)字控制方式實現(xiàn)，不僅確保高精度，而且實時性極好，反應(yīng)靈敏，減少了模擬器件的使用，降低了電路的復(fù)雜程度；
(3 )對于雙級并聯(lián)BUCK變換器的控制方式，對第一 BUCK變換器采用電壓單閉環(huán)控制，對于第二 BUCK變換器采用電壓電流的雙閉環(huán)控制，并且第二 BUCK變換器的電流是以第一 BUCK變換器的輸出電流為參考值的，這種控制方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，而且能夠有效地實現(xiàn)兩個變換器的均流控制；(4)變換器的保護電路包括輸入過欠壓保護、限流保護、過溫度保護，其中變換器的散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制是隨溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)正相關(guān)的，盡可能的實現(xiàn)變換器的恒溫工作，有效地降低了能耗，提高了整機的工作效率。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)模塊的原理示意圖，其中各實線箭頭表示信號的流動方向；圖2是本發(fā)明的主電路雙級并聯(lián)BUCK電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明的控制方式原理圖； 圖4是本發(fā)明的控制程序主程序流程圖；圖5是本發(fā)明的控制程序的周期中斷子程序流程圖；圖6是本發(fā)明的控制程序的下溢中斷子程序流程圖；圖7是本發(fā)明的控制程序的I3DPINT中斷子程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。實施例I本實施例的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的通信備用電源DC/DC變換和控制系統(tǒng)，采用了雙級BUCK并聯(lián)的主電路和基于DSP控制芯片的數(shù)字控制電路。采用的質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出電壓范圍為O 110V，輸出電流范圍為O 260A，輸出額定功率為7KW。本實施例的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的通信備用電源DC/DC變換和控制系統(tǒng)的原理示意圖如圖I所示，包括主電路模塊和控制電路模塊。 其中，主電路模塊包括雙級并聯(lián)BUCK變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)么如圖2所示，是將兩個規(guī)格參數(shù)完全相同的第一 BUCK變換器和第二 BUCK變換器輸入端和輸出端各自并聯(lián)而成的，第一、二 BUCK變換器分別包括開關(guān)管Tl、T2，二極管Dl、D2，輸出濾波電感LI、L2以及輸出濾波電容Cl、C2、C3、C4，其連接方式為開關(guān)管Tl、T2的漏極分別與質(zhì)子交換膜燃料電池直流輸出端正極連接，二極管Dl、D2的陽極分別與質(zhì)子交換膜燃料電池直流輸出端負(fù)極連接、陰極分別與開關(guān)管T1、T2的源極對應(yīng)相連，電感L1、L2分別對應(yīng)連接在二極管D陰極和變換器輸出端之間，濾波電容Cl、C2、C3、C4分別對應(yīng)連接在各自BUCK變換器輸出端正負(fù)極之間，在第一、二 BUCK變換器并聯(lián)之后，在形成的雙級并聯(lián)BUCK變換器輸入端與質(zhì)子交換膜燃料電池輸出端之間增加了輸入濾波電容CIN，在雙級并聯(lián)BUCK變換器輸出端與負(fù)載連接之間加入了輸出濾波電容Qjut。其中，控制電路模塊如圖I所示，主要包括DSP控制芯片、IGBT門極驅(qū)動電路單元、霍爾檢測電路單元、輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元、溫度傳感電路單元、RS232通信電路單元、散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元。其中IGBT門極驅(qū)動電路單元是通過PWM驅(qū)動芯片與DSP控制芯片事件管理器相關(guān)功能引腳連接，以實現(xiàn)開關(guān)管控制信號的放大，具備驅(qū)動IGBT的能力，另外PWM驅(qū)動芯片會引出一根信號線與DSP控制芯片的I3DPINT引腳相連，實現(xiàn)相關(guān)的電路保護；霍爾檢測電路單元主要是采集雙級并聯(lián)BUCK變換器的第一、二BUCK變換器各自的輸出電壓Vout以及第一 BUCK變換器的輸出電感電流Iu ;輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元主要是將輸入輸出的電流電壓信號以及溫度檢測電路單元檢測的溫度信號轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片的ADC模塊所能采集的電壓信號；溫度傳感電路單元主要是采用溫度傳感器檢測所述雙級并聯(lián)BUCK變換器中主要功率元器件的溫度，包括開關(guān)管、二極管、濾波電感，以實現(xiàn)變換器過溫度保護和作為散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制的依據(jù)；RS232通信電路單元主要是基于DSP芯片的SCI通信模塊，與上位機進行通信；散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元主要是通過DSP芯片根據(jù)采集溫度的大小，經(jīng)過相應(yīng)控制算法，給出PWM信號進行散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，涉及的所有控制算法均通過DSP數(shù)字控制實現(xiàn)。本實施例中，基于質(zhì)子交換膜燃料電池的通信備用電源DC/DC變換及控制系統(tǒng)的 控制電路的控制方式如圖3所示，是通過采集第一 BUCK變換器的輸出電壓Vrat與設(shè)定輸出電壓值比較，經(jīng)過DSP芯片實現(xiàn)PI控制算法，形成反饋控制回路，通過不斷刷新DSP時間管理器EV中通用定時器Tl的比較寄存器TlCMPR的值，實現(xiàn)開關(guān)管Tl的占空比dl的控制，得到PWMl輸出控制信號，從而實現(xiàn)第一 BUCK變換器輸出電壓的實時調(diào)節(jié)；與此同時采集第一 BUCK變換器的輸出電流信號Iu，并以此作為第二 BUCK變換器的輸出電流信號的參考值，以設(shè)定的輸出電壓Vref作為第二 BUCK變換器的輸出電壓的參考值，經(jīng)過對輸出電流電壓的雙閉環(huán)控制，通過刷新DSP時間管理器EV的通用定時器T2的比較寄存器T2CMPR的值，對開關(guān)管T2的占空比d2進行調(diào)節(jié)，得到PWM2輸出控制信號，從而不僅使得兩個BUCK變換器輸出電壓相等，而且實現(xiàn)了兩個BUCK變換器的均流控制。相應(yīng)的程序流程圖如圖4 7所示，圖4是控制程序的主程序，主要完成系統(tǒng)的初始化工作；圖5是周期中斷子程序，雙級并聯(lián)BUCK變換器的控制主要是由周期中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，為了使得控制精度更高，程序中采用了軟啟動和數(shù)字濾波的方法；圖6和圖7分別是下溢中斷子程序和I3DPINT中斷子程序，變換器的保護功能均是由此兩項程序的功能實現(xiàn)的，即當(dāng)下溢中斷子程序中發(fā)現(xiàn)有過欠壓、過流、過溫任何一項，就會使得ropiNT引腳置位低電平，如此I3DPINT中斷子程序就會使得TlPWM和T2PWM引腳置為高阻態(tài)，從而使變化器進入停機保護狀態(tài)；下溢中斷子程序中還實現(xiàn)了散熱風(fēng)扇的隨溫度變化轉(zhuǎn)速相應(yīng)增大或減小的隨動控制。
權(quán)利要求
1.一種基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，包括主電路模塊和控制電路模塊，其特征在于，所述主電路模塊包括雙級并聯(lián)BUCK變換器，所述雙級并聯(lián)BUCK變換器設(shè)置在質(zhì)子交換膜燃料電池和通信負(fù)載之間；所述控制電路模塊包括DSP控制芯片、IGBT門極驅(qū)動電路單元、霍爾檢測電路單元和輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元；所述IGBT門極驅(qū)動電路單元分別與所述DSP控制芯片的EV輸出端口、TOPINT引腳以及所述雙級并聯(lián)BUCK變換器相連；所述霍爾檢測電路單元一端連接在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的輸出端與通信負(fù)載之間的電路上，另一端與所述輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元相連；所述輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元還與所述DSP控制芯片的ADC輸入端口相連；所述霍爾檢測電路單元采集所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的電流電壓信號，再通過輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片所能采集的電壓信號，所述DSP控制芯片將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸給IGBT門極驅(qū)動電路單元，所述IGBT門極驅(qū)動電路單元通過PWM驅(qū)動芯片將該控制信號傳輸給所述雙級并聯(lián)BUCK變換器，從而實現(xiàn)電壓的實時調(diào)節(jié)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路模塊還包括溫度傳感電路單元和散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元，所述溫度傳感器電路單元的一端與所述雙級并聯(lián)BUCK變換器相連，另一端與所述模擬信號調(diào)節(jié)電路單元相連；所述散熱風(fēng)扇驅(qū)動電路單元與所述DSP控制芯片相連；所述溫度傳感器電路單元采集到所述雙級并聯(lián)BUCK變換器的溫度信號，再通過輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片所能采集的電壓信號，所述DSP控制芯片將采集到的該電壓信號轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸?shù)缴犸L(fēng)扇驅(qū)動電路單元進行散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，同時驅(qū)動散熱風(fēng)扇對所述雙級并聯(lián)BUCK變換器進行散熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路模塊還包括與所述DSP控制芯片連接的RS232通信電路單元，所述DC/DC變換及控制系統(tǒng)通過所述RS232通信電路單元與上位機進行通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主電路模塊還包括輸入濾波電容Cin和輸出濾波電容Cotit，所述輸入濾波電容Cin設(shè)置在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器輸入端與質(zhì)子交換膜燃料電池輸出端之間，所述輸出濾波電容Cott設(shè)置在所述雙級并聯(lián)BUCK變換器輸出端與負(fù)載之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙級并聯(lián)BUCK變換器是由兩個相同規(guī)格的第一 BUCK變換器和第二 BUCK變換器2并聯(lián)而成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出電壓范圍為O 110V，輸出電流范圍為O 260A，輸出額定功率為7KW。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 BUCK變換器包括開關(guān)管Tl，所述第二 BUCK變換器包括開關(guān)管T2 ;所述DC/DC變換及控制系統(tǒng)采用的控制方法為通過采集第一 BUCK變換器的輸出電壓與設(shè)定輸出電壓值比較，經(jīng)過DSP控制芯片實現(xiàn)PI控制算法，形成反饋控制回路，控制開關(guān)管Tl的占空比dl，從而實現(xiàn)第一 BUCK變換器輸出電壓的實時調(diào)節(jié)，與此同時采集第一 BUCK變換器的輸出電流信號，并以此作為第二 BUCK變換器的輸出電流信號的參考值，以設(shè)定輸出電壓VMf作為第二 BUCK變換器的輸出電壓的參考值，經(jīng)過對輸出電流電壓的雙閉環(huán)控制，對開關(guān)管T2的占空比d2進行調(diào)節(jié)，從而使得第一 BUCK變換器、第二 BUCK變換器的輸出電壓相等，同時實現(xiàn)了兩個BUCK變換器的均流控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制算法均通過DSP數(shù)字控制實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于質(zhì)子交換膜燃料電池的DC/DC變換和控制系統(tǒng)，包括主電路模塊和控制電路模塊，主電路模塊包括雙級并聯(lián)BUCK降壓變換器，其輸入端連接質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出端，其輸出端連接通信負(fù)載直接供電；控制電路模塊包括DSP控制芯片，IGBT門極驅(qū)動電路單元、霍爾檢測電路單元和輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路單元等。其中涉及的所有控制算法均通過DSP數(shù)字控制實現(xiàn)。本發(fā)明的系統(tǒng)適用于質(zhì)子交換膜燃料電池這樣的大電流輸出功率設(shè)備的電力變換，并且可以降低成本，增加系統(tǒng)的可靠性；實現(xiàn)了質(zhì)子交換膜燃料電池作為通信備用電源的電壓實時匹配調(diào)節(jié)控制，并且采用全數(shù)字控制方式，具有精度高、反應(yīng)快、能耗低等優(yōu)點。
文檔編號H02M3/156GK102904444SQ20121027921
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者古云蛟, 朱新堅, 黃波, 曹弘飛 申請人:上海交通大學(xué)