一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法

一种基于mosfet高速开关的pemfc交流扰动信号调控方法
技术领域
1.本发明属于燃料电池汽车研发领域，具体涉及一种基于金氧半场效晶体管(mosfet)高速开关的质子交换膜燃料电池(pemfc)交流扰动信号的调控方法。


背景技术：

2.pemfc通常被认为是最接近大规模商业化的燃料电池，与其他新能源汽车上应用的动力电池相比，具有功率密度高、启动快、可靠性高、低温运行等优点。因此，pemfc在新能源汽车的应用上具有广阔的发展空间。与其他一般动力电池和传统内燃机相比，pemfc的工作原理和发电方式发生了很大的变化。因此，在pemfc的研发过程中，采用适用于pemfc性能测试、分析、标定与故障诊断的技术和设备至关重要。pemfc内阻参数体现了pemfc的发电效率，表征着质子穿过交换膜进入阴极催化剂层的能力，其大小取决于电流密度、内部湿度和膜的温度，反映了pemfc内部电化学反应条件、外部运行环境以及pemfc各组件特性对pemfc工作性能的影响。因此，开发出低成本、高精度的pemfc内阻实时性监测系统十分必要。
3.pemfc内阻作为重要的特征参数，是目前改进pemfc工作性能，实现pemfc在线优化控制以及故障诊断的最有效的方式之一。而在现有的pemfc汽车的pemfc内阻测试系统应用中，主要是通过使用连接在pemfc和直流(dc)总线之间的dc/dc转换器或其他昂贵的专用设备产生交流信号扰动，以实现pemfc内阻测试的，这对于pemfc内阻测试系统开发来说既昂贵又大型，同时增加了控制电路的复杂性，功率电路之间产生的电磁干扰严重影响了pemfc测试系统的调控性能，不利于低成本、高精度的pemfc测试系统的商业化应用。尤其，对于基于双源电机的pemfc汽车，取消了dc/dc转换器结构，因此需要采用新的pemfc交流扰动信号调控方法实现pemfc内阻测试。这对于低成本、高精度、实时性的pemfc内阻测试系统开发具有重要的价值。


技术实现要素：

4.针对双源电机pemfc汽车由于取消了dc/dc转换器结构而无法精确调控pemfc直流母线上的交流成分以实现对pemfc内阻进行实时测试的问题。本发明提供一种低成本的基于mosfet高速开关调控的pemfc交流扰动信号生成方法，以使其应用于pemfc内阻测试过程中。该交流信号扰动方法既可实现对pemfc直流母线上的交流成分进行独立调控，无需dc/dc转换器以节约系统空间和重量，降低了调控电路的复杂性，避免了功率电路之间的相互干扰对测试系统调控性能的影响；同时又减少了对高频专用设备的使用，节约了成本。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于mosfet高速开关的pemfc交流扰动信号调控方法，基于该方法建立的pemfc交流信号调控系统由多核微处理器dsp、高精度信号测量模块、数字信号处理模块、上位机监控模块、功率单元及驱动电路、dc9～36v低压电源模块、电阻负载单元、can通信模块、低压电源接口、脉冲宽度调制(pwm)和串行外设接口(spi)组成。各个组成单元的主要功用分别为：多核微处理器dsp用于pemfc电流信号采样、正弦交流参考信号设置、数字信号处
理的多核分时控制；高精度信号测量模块用于实时采集pemfc直流母线上的反馈电流信号；数字信号处理模块用于对所采集的反馈电流信号进行滤波、放大、隔离以及模数(da)转换处理；上位机监控模块具有发送交流参考信号控制命令和实时监测电流采样信号的功能；功率单元及驱动电路用于pemfc直流母线反馈电流信号的驱动调控，主要由隔离放大器1、隔离放大器2、比较器1、比较器2、双d触发器、隔离时栅极驱动器和mosfet组成；dc9～36v低压电源模块为多核微处理器dsp提供低压供电电源；电阻负载单元为pemfc调控回路的负载电阻；can通信模块建立上位机监控模块与多核微处理器dsp的实时通讯；输出/输入(i/o)、pwm、spi接口建立了多核微处理器dsp与其他模块的信号通讯；低压电源接口能够从dc9～36v低压电源模块为多核微处理器dsp引入低压电源供电，并为功率单元及驱动电路供电。
7.其中，上位机监测模块与can通信模块通过can通信信号线连接；spi接口与高精度信号测量模块建立spi通信信号线连接；i/o接口与功率单元及驱动电路、pwm接口与功率单元及驱动电路、pemfc与高精度信号测量模块、高精度信号测量模块与数字信号处理模块通过信号线连接。其它部件均通过电力连接。
8.具体实现步骤如下：
9.步骤1：打开dc9～36v低压电源模块开关，通过多核微处理器dsp的供电电源接口为多核微处理器dsp引入低压电源。同时通过多核微处理器dsp的供电电源接口为功率单元及驱动电路供电；
10.步骤2：在上位机监控模块上设置正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和pwm输出命令，正弦交流参考信号控制命令参数包括频率f
ref
和幅值i
ref
；电流反馈信号控制命令参数包括采样速度p和采样点数n；pwm输出命令参数为pwm工作频率f
pwm
。其中，f
ref
取值范围为2hz～1200hz，i
ref
取值为20ma～50ma，p的取值范围为8ksps～34ksps，采样点数n＝1024，pwm工作频率f
pwm
的取值为8khz～100khz；
11.步骤3：上位机监控模块通过can通讯模块向多核微处理器dsp发送在上位机监控模块所设置的正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和pwm输出命令。多核微处理器dsp接收到上位机监控模块发送的控制命令后，发出一个频率为f
ref
、幅值为i
ref
的正弦交流参考信号v
sin
，并通过i/o端口发送给功率单元及驱动电路；并为功率电源及驱动电路提供一个工作频率为f
pwm
、占空比为50％的pwm控制信号；同时，多核微处理器dsp通过spi接口，建立多核微处理器dsp与高精度信号测量模块的spi通讯，设置高精度信号测量模块的采样速度为p和采样点数为n；
12.步骤4：功率单元及驱动电路从多核微处理器dsp的i/o接口，接收到由多核微处理器dsp发出的频率为f
ref
、幅值为i
ref
的正弦交流参考信号v
sin
，并将其通过隔离放大器1隔离、放大a＝1倍后，输入到比较器1的正向输入端。同时，用隔离放大器2对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
隔离、放大同样的倍数a后，分为两路输出：一路输入到比较器1的负向输入端，另一路输入到比较器2的负向输入端；
13.步骤5：比较器1对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
和正弦交流参考信号v
sin
进行比较。当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
小于正弦交流参考信号v
sin
时，比较器输出一个5v的高电平；而当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
大于正弦交流参考信号v
sin
时，比较器输出一个0v的低电平。5v的高电平于0v的低电平构成驱动控制信号；同时，比较器2对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
与正向输入端的5v电压进行比较，正
常状态下，比较器2输出为高电平，只有当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
大于5v电压时，比较器2输出0v的低电平。比较器2输出的高低电平作为电流过载控制信号；
14.步骤6：当比较器2输出的电流过载控制信号为低电平时，双d触发器的正常供电电压变为0，双d触发器不处于工作状态；当电流过载控制信号为高电平时，双d触发器的正常供电电压变为5v，此时双d触发器处于正常工作状态。当双d触发器处于正常工作状态时，驱动控制信号发送至双d触发器，双d触发器在pwm控制信号的驱动作用下进行工作，每当pwm控制信号的上升沿到来时，它能够锁存驱动控制信号的电平状态，并将其发送至隔离栅极驱动器。通过改变pwm控制信号的工作频率，可以改变双d触发器锁存驱动控制信号电平状态的速度。当pwm控制信号的工作频率为0或是没有pwm控制信号输出时，双d触发器一直处于输出为低电平0的状态；
15.步骤7：双d触发器处于正常工作时，锁存驱动控制信号的电平状态，并发送至隔离式栅极驱动器。该电平状态被隔离式栅极驱动器隔离后，输出mosfet驱动信号，控制mosfet的关闭和导通。当双d触发器发出的电平状态为高电平时，隔离式栅极驱动器输出的mosfet驱动信号为高电平，mosfet导通；当双d触发器发出的电平状态为低电平时，隔离式栅极驱动器输出的mosfet驱动信号为低电平，mosfet关闭；
16.步骤8：功率单元及驱动电路与电阻负载单元和pemfc构成pemfc交流信号调控回路。当mosfet导通时，pemfc交流信号调控回路闭合，pemfc交流信号调控回路中的功率电感l1和l2存储能量，从而pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
逐渐增加至正弦交流参考信号v
sin
；当mosfet闭合时，pemfc交流信号调控回路断开，pemfc交流信号调控回路中的功率电感l1和l2释放能量，并向功率电容c1充电，从而pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
逐渐下降至正弦交流参考信号v
sin
。因此，通过控制mosfet的导通和闭合，就可以调控emfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
跟随正弦交流参考信号v
sin
的变化；
17.步骤9：功率单元及驱动电路引出的供电电压，为高精度信号测量模块供电，在采样速度p和采样点数n设置下采集pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
，并发送至多核微处理器dsp的数字信号处理模块，经滤波、放大、隔离以及da转换处理后，得到采样电流数字信号；
18.步骤10：采样电流数字信号经多核微处理器dsp的can通信模块发送至上位机监控模块，在上位机监控模块显示采样电流数字信号，从而实时监测pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
的分布状态。
19.本发明的有益效果：在现有的pemfc汽车的pemfc内阻测试系统应用中，主要是通过使用连接在pemfc和直流(dc)总线之间的dc/dc转换器或其他昂贵的专用设备产生交流信号扰动，以实现pemfc内阻测试的，这对于pemfc内阻测试系统开发来说既昂贵又大型，同时增加了控制电路的复杂性，功率电路之间产生的电磁干扰严重影响了pemfc测试系统的调控性能，不利于低成本、高精度的pemfc测试系统的商业化应用。尤其，对于基于双源电机的pemfc汽车，取消了dc/dc转换器结构，因此需要采用新的pemfc交流扰动信号调控方法实现pemfc内阻测试。针对以上问题，本发明提供一种低成本的基于mosfet高速开关调控的pemfc交流扰动信号生成方法，以使其应用于pemfc内阻测试过程中。该交流信号扰动方法既可实现对pemfc直流母线上的交流成分进行独立调控，无需dc/dc转换器以节约系统空间和重量，降低了调控电路的复杂性，避免了功率电路之间的相互干扰对测试系统调控性能
的影响；同时又减少了对高频专用设备的使用，节约了成本。这对于低成本、高精度、实时性的pemfc内阻测试系统开发具有重要的应用价值。
附图说明
20.图1为基于mosfet高速开关的pemfc交流信号调控框图。
21.图2为pemfc交流信号调控系统结构框图。
22.图3为pemfc交流扰动信号的主要调控电路拓扑结构。
23.图4为pemfc参考电流信号和仿真电流信号波形分布。
24.图5为各频段电流采样信号时域波形分布。
具体实施方式
25.下面结合附图及技术方案对本发明实施例做进一步详细说明。
26.一种基于mosfet高速开关的pemfc交流扰动信号调控方法，基于该方法建立的pemfc交流信号调控框图如图1所示，其由多核微处理器dsp、高精度信号测量模块、数字信号处理模块、上位机监控模块、功率单元及驱动电路、dc9～36v低压电源模块、电阻负载单元、can通信模块、低压电源接口、脉冲宽度调制(pwm)和串行外设接口(spi)组成。各个组成单元的主要功用分别为：多核微处理器dsp用于pemfc电流信号采样、正弦交流参考信号设置、数字信号处理的多核分时控制；高精度信号测量模块用于实时采集pemfc直流母线上的反馈电流信号；数字信号处理模块用于对所采集的反馈电流信号进行滤波、放大、隔离以及模数(da)转换处理；上位机监控模块具有发送交流参考信号控制命令和实时监测电流采样信号的功能；功率单元及驱动电路用于pemfc直流母线反馈电流信号的驱动调控，主要由隔离放大器1、隔离放大器2、比较器1、比较器2、双d触发器、隔离时栅极驱动器和mosfet组成；dc9～36v低压电源模块为多核微处理器dsp提供低压供电电源；电阻负载单元为pemfc调控回路的负载电阻；can通信模块建立上位机监控模块与多核微处理器dsp的实时通讯；输出/输入(i/o)、pwm、spi接口建立了多核微处理器dsp与其他模块的信号通讯；低压电源接口能够从dc9～36v低压电源模块为多核微处理器dsp引入低压电源供电，并为功率单元及驱动电路供电。
27.其中，上位机监测模块与can通信模块通过can通信信号线连接；spi接口与高精度信号测量模块建立spi通信信号线连接；i/o接口与功率单元及驱动电路、pwm接口与功率单元及驱动电路、pemfc与高精度信号测量模块、高精度信号测量模块与数字信号处理模块通过信号线连接。其它部件均通过电力连接。
28.本发明的具体步骤如下：
29.步骤1：打开dc9～36v低压电源模块开关，通过多核微处理器dsp的供电电源接口为多核微处理器dsp引入低压电源。同时通过多核微处理器dsp的供电电源接口为功率单元及驱动电路供电；
30.步骤2：在上位机监控模块上设置正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和pwm输出命令，正弦交流参考信号控制命令参数包括频率f
ref
和幅值i
ref
；电流反馈信号控制命令参数包括采样速度p和采样点数n；pwm输出命令参数为pwm工作频率f
pwm
。其中，f
ref
取值范围为2hz～1200hz，i
ref
取值为20ma～50ma，p的取值范围为8ksps～34ksps，采样
点数n＝1024，pwm工作频率f
pwm
的取值为8khz～100khz；
31.步骤3：上位机监控模块通过can通讯模块向多核微处理器dsp发送在上位机监控模块所设置的正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和pwm输出命令。多核微处理器dsp接收到上位机监控模块发送的控制命令后，发出一个频率为f
ref
、幅值为i
ref
的正弦交流参考信号v
sin
，并通过i/o端口发送给功率单元及驱动电路；并为功率电源及驱动电路提供一个工作频率为f
pwm
、占空比为50％的pwm控制信号；同时，多核微处理器dsp通过spi接口，建立多核微处理器dsp与高精度信号测量模块的spi通讯，设置高精度信号测量模块的采样速度为p和采样点数为n；
32.步骤4：功率单元及驱动电路从多核微处理器dsp的i/o接口，接收到由多核微处理器dsp发出的频率为f
ref
、幅值为i
ref
的正弦交流参考信号v
sin
。通过正弦交流参考信号实现pemfc交流信号调控的系统结构框图如图2所示。
33.步骤4.1：正弦交流参考信号v
sin
通过隔离放大器1隔离、放大a＝1倍后，输入到比较器1的正向输入端。同时，用隔离放大器2对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
隔离、放大同样的倍数a后，分为两路输出：一路输入到比较器1的负向输入端，另一路输入到比较器2的负向输入端；
34.步骤4.2：比较器1对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
和正弦交流参考信号v
sin
进行比较。当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
小于正弦交流参考信号v
sin
时，比较器输出一个5v的高电平；而当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
大于正弦交流参考信号v
sin
时，比较器输出一个0v的低电平。5v的高电平于0v的低电平构成驱动控制信号；同时，比较器2对pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
与正向输入端的5v电压进行比较，正常状态下，比较器2输出为高电平，只有当pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
大于5v电压时，比较器2输出0v的低电平。比较器2输出的高低电平作为电流过载控制信号；
35.步骤4.3：当比较器2输出的电流过载控制信号为低电平时，双d触发器的正常供电电压变为0，双d触发器不处于工作状态；当电流过载控制信号为高电平时，双d触发器的正常供电电压变为5v，此时双d触发器处于正常工作状态。当双d触发器处于正常工作状态时，驱动控制信号发送至双d触发器，双d触发器在pwm控制信号的驱动作用下进行工作，每当pwm控制信号的上升沿到来时，它能够锁存驱动控制信号的电平状态，并将其发送至隔离栅极驱动器。通过改变pwm控制信号的工作频率，可以改变双d触发器锁存驱动控制信号电平状态的速度。当pwm控制信号的工作频率为0或是没有pwm控制信号输出时，双d触发器一直处于输出为低电平0的状态；
36.步骤4.4：双d触发器处于正常工作时，锁存驱动控制信号的电平状态，并发送至隔离式栅极驱动器。该电平状态被隔离式栅极驱动器隔离后，输出mosfet驱动信号，控制mosfet的关闭和导通。当双d触发器发出的电平状态为高电平时，隔离式栅极驱动器输出的mosfet驱动信号为高电平，mosfet导通；当双d触发器发出的电平状态为低电平时，隔离式栅极驱动器输出的mosfet驱动信号为低电平，mosfet关闭；
37.步骤5：功率单元及驱动电路与电阻负载单元和pemfc构成pemfc交流信号调控回路。pemfc交流扰动信号的主要调控电路拓扑结构如图3所示。当mosfet导通时，pemfc交流信号调控回路闭合，pemfc交流信号调控回路中的功率电感l1和l2存储能量，从而pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
逐渐增加至正弦交流参考信号v
sin
；当mosfet闭合时，pemfc交
流信号调控回路断开，pemfc交流信号调控回路中的功率电感l1和l2释放能量，并向功率电容c1充电，从而pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
逐渐下降至正弦交流参考信号v
sin
。因此，通过控制mosfet的导通和闭合，就可以调控emfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
跟随正弦交流参考信号v
sin
的变化。基于mosfet高速开关调控的pemfc交流扰动信号仿真波形与正弦交流参考信号波形如图4所示，仿真结果表明：基于mosfet高速开关调控的pemfc交流扰动信号仿真波形能够有效地跟随正弦交流参考信号波形的变化；
38.步骤6：功率单元及驱动电路引出的供电电压，为高精度信号测量模块供电，在采样速度p和采样点数n设置下采集pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
，并发送至多核微处理器dsp的数字信号处理模块，经滤波、放大、隔离以及da转换处理后，得到采样电流数字信号；
39.步骤7：采样电流数字信号经多核微处理器dsp的can通信模块发送至上位机监控模块，在上位机监控模块显示采样电流数字信号，从而实时监测pemfc直流母线上的反馈电流信号v
sample
的分布状态。
40.在测试过程中，考虑到计算的实时性和频率精度，在上位机监控模块上设置采样点数n＝1024。低频段，激励电流设置为f
ref
＝2hz，i
ref
＝20ma，为了在1024个采样点内显示多个周期的电流采样波形，设置采样速度p＝8ksps，f
pwm
＝20khz；中高频段时，激励电流频率f
ref
分别设置为600hz、1200hz，其他设置相同，i
ref
＝30ma、p＝31.2ksps，f
pwm
＝80khz。各频段电流采样信号的时域波形分布如图5所示。通过测试结果表明：各频段电流采样信号的时域波形都符合正弦电流信号分布的特点，且pemfc交流扰动信号频率的调控范围为2～1200hz。因此，本发明所提出的基于mosfet高速开关的pemfc交流扰动信号调控方法是切实有效的，能够应用于pemfc内阻测试系统中。
41.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，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，这些均属于本发明的保护范围。