专利名称：一种燃料电池能量可控输出装置及控制方法
技术领域：
本发明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及控制方法。
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I)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
本发明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及控制方法，以克服上述的不足。为了实现上述目的，本发明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I与升压调节模块的输入端U11+相连，燃料电池输出负极(-)与升压调节模块的输入端U11-相连，升压调节模块的输出端U10+与降压调节模块的输入端U21+相连，升压调节模块的输出端U10-与降压调节模块的输入端U21-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U20+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U2tr与蓄电池负极㈠相连；同时蓄电池的正极⑴通过电流检测3与负载正极⑴相连，蓄电池的负极㈠与负载负极㈠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Iin与电流检测I的信号输出相连，输入引脚Uin与电压检测I的信号输出相连,输入引脚T1与温度检测I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Itjut与电流检测2的信号输出相连,输入引脚Utjut与电压检测2的信号输出相连，输入引脚Iltjad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单元输出弓I脚PWMl和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚Al、BI相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚Gl与升压调节模块的功率管VTl的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VTl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AUBl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Xl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Yl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VDDl标准电平的驱动信 号ZPWM1、ZPWM2 ；MCU的功率保护引脚I3DPINTA连接二极管D3的阳极，同时通过Rl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，Faultl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。本发明还提供了一种燃料电池能量可控输出装置的控制方法，所述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，所述燃料电池输出特性偏软的直流电，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；蓄电池与负载并联在降压调节模块的输出端，蓄电池与燃料电池一起参与能量的分配；电流检测2采样能量可控输出装置的输出电流1_，电流检测3采样负载电流Ilrad，流经蓄电池电流Ib由Iltjaa-Iwt计算得出。所述能量可控输出装置工作在四种控制模式下，由4组合式PID控制器控制，并在控制模式间无缝切换，使电压、电流平顺过渡电压控制模式下，主控制模块接收CAN总线的指令电压作为参考电压Uref (k)，与该装置的输出电压值U(k)作比较，差值eu(k)输入给电压PID控制器，得到控制增量ADu(k), ADu(k)与原来控制量Du(K-I)相加后得到新的脉宽调制值Du (k)，经驱动电路后控制该装置的输出电压为用户指令电压；电流控制模式下，主控制模块接收CAN总线指令电流作为参考电流IMf (k)，与该装置的输出电流值I(k)作比较，差值ei(k)输入给电流PID控制器，得到控制增量ADiGO,ADiGO与原来控制量Di (K-I)相加后得到新的脉宽调制值DiGO，经驱动电路后控制该装置的输出电流为用户指令电流；功率控制模式下，主控制模块接收CAN总线指令功率作为参考功率PMf (k)，与装置实际输出功率P(k)比较，差值ep(k)输入给功率PID控制器1，得到控制增量ADp(k)，ADp(k)与原来控制量Dp(K-I)相加后得到新的脉宽调制值DP(k)，经驱动电路后控制该装置的输出功率为用户指令功率；负载功率跟随模式下，装置自动跟踪计算负载功率，并作为参考值与装
置实际输出功率P*(k)比较，差值&⑷输入给功率PID控制器2，得到控制增量ΔΖ);(Α0 ,
ΔΖ^(Α)与原来控制量相加后得到新的脉宽调制值/^(幻，经驱动电路后控制该装置的输出功率为负载需求的功率，从而使蓄电池处于不充电也不放电的状态。上述方案中，主控制模块采用软启动算法，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。上述方案中，故障诊断与报警模块集成有故障诊断专家系统，根据电压、电流、温度信号采样信息以及该装置当前的控制状态，实时诊断欠压、过压、过流、过温以及传感器安装失灵症状，当装置出现故障时，自动进行功率输出保护，并显示相应的故障代码及蜂鸣报警。本发明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。本发明运行状况可靠、稳定。本发明即可用于燃料电池，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，均应纳入在本发明的权利保护范围内。
为了进一步理解本发明，作为说明书一部分的附图指示了本发明的实施例，而所作的说明用于解释本发明的原理。图I为本发明的系统结构原理框图。图2为本发明的带上电保护的IGBT驱动电路原理图。图3为本发明的控制程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。本发明主体结构如图I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I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I与升压调节模块的输入端U11+相连，燃料电池输出负极㈠与升压调节模块的输入端U11-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I所示，由降压斩波电路组成。降压调节模块的输入端U21+与升压调节模块的输出端U10+相连，降压调节模块的输入端U21-与升压调节模块的输出端Ultr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PWMl和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚Al、BI相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚Gl与升压调节模块的功率管VTl的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VTl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，实时提供本发明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DPWMl、DPWM2信号并将该信号翻转成驱动信号NPWMl、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VDDl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，VDDl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，Faultl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U2J通过电流检测2相连，蓄电池负极㈠与降压调节模块输出端U20-相连，电流检测2采样能量可控输出装置的输出电流U。同时蓄电池的正极⑴通过电流检测3与负载正极⑴相连，蓄电池的负极㈠与负载负极㈠相连，电流检测3采样负载电流Iltjad，流经蓄电池电流 Ib 由 Iload Iout计算得出。在本实施例中，Uin-、un-、u1Q-、u2I-、U2^Utjut-在电气连接上实为同一参考点“地”。当Ilrad-U > O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ι Μ(τ _ = ο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I1--U < O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。能量可控输出装置工作在四种控制模式下，由4组合式PID控制器控制，并在控制模式间无缝切换，使电压、电流平顺过渡。在电压控制模式下，主控制模块通过CAN总线接收用户电压指令并同时控制升压调节模块与降压调节模块，使输出电压为用户指令电压。电压控制程序流程图如图3所示。将用户发出的指令电压值作为参考电压值Uref (k)，与该装置输出的实际电压值U(k)比较，得到差值eu(k) = U(k)-Urrf(k)，经过电压PID控制器后得到 PWM 目号的增量值 ADu(k) = kup[eu(k)_eu(k_l) ]+kuieu(k)+kud[eu(k)_2eu(k_l)+eu(k-2)],其中eu(k-l)为上一次计算的差值，eu(k_2)为前2次计算的差值，比例常数kup、积分常数kui以及微分常数kud由仿真计算与实际调试实验联合得到，且不为定值，随着输入电压的改变，kup、kui与kud也随之改变。MCU计算出PWM信号新的脉宽值Du(k)=Du(k-1) + ADu(k)，产生新的P丽信号经驱动电路后同时调节升压调节模块与降压调节模块，使该装置的输出电压为用户指令电压。在电流控制模式下，主控制模块通过CAN总线接收用户电流指令并同时控制升压调节模块与降压调节模块，使燃料电池输出电流为用户指令电流，能量可控输出装置输出电压此时为蓄电池电压。电流控制程序流程图如图3所示。将用户发出的指令电流值作为参考电流值U(k)，与该装置输出的实际电流值I(k)比较，得到差值ei(k)=I (k) -Iref (k)，经过电流PID控制器后得到PWM信号的增量值Δ Di (k) = kip Lei (k) -ej (k_l) ] +I^ei (k) +kid Lei (k) -2et (k_l) +ej (k_2)]，其中ejk-l)为上一次计算的差值，ei (k-2)为前2次计算的差值，比例常数kip、积分常数U及微分常数kid由仿真计算与实际调试实验联合得到，且不为定值，随着输出电流的改变，kip、kn及kid也随之改变。MCU计算出PWM信号新的脉宽值DiGO =Di (k-1) + ADi (k)，产生新的P丽信号经驱动电路后同时调节升压调节模块与降压调节模块，使该装置的输出电流为用户指令电流。功率控制模式下，主控制模块通过CAN总线接收用户给定功率指令并同时控制升压调节模块与降压调节模块，使燃料电池输出功率为用户指令功率。若燃料电池输出功率小于负载所需功率，则不足功率由蓄电池提供，若燃料电池输出功率大于负载所需功率，则多余功率注入蓄电池。功率控制模式下采用以用户给定功率值PMf (k)为参考值，装置输出电压电流的乘积P(k)为反馈值的闭环PID控制，如图3所示，两者的差值送与功率PID控制器1，产生控制增量信号Λ Dp (k)，MCU计算出PWM信号新的脉宽值Dp (k) = Dp (k-Ι) + Δ Dp (k),产生新的PWM信号经驱动电路后同时调节升压调节模块与降压调节模块，使该装置的输出功率为用户指令功率。在负载功率跟随模式下，能量可控输出装置自适应跟踪计算负载功率，使燃料电池的输出功率为负载需求功率，蓄电池处于不充电也不放电的状态。负载功率跟随模式下采用以电压电流乘积为反馈的闭环PID控制，如图3所示。功率给定值为负载端检测的电压与电流的乘积(幻，此值是动态变化的，反馈值为装置输出的电压与电流的乘积Z(A:)，
与P*(k)的差值送与功率PID控制器2，产生控制增量信号MCU计算出PWM信号新的脉宽值，产生新的PWM信号经驱动电路后同时调节升压调节模块与降压调节模块，使该装置的输出功率跟随负载的功率变化。四种控制模式间采用无缝切换技术，模式间改变时以当前控制值为基础缓慢增加或减少，使切换平顺过渡。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，本发明的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切不脱离本发明技术方案的精神和范围的修改和替换，均应纳入在本发明的权利要求范围当中。本发明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。
权利要求
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I与升压调节模块的输入端U11+相连，燃料电池输出负极与升压调节模块的输入端U11-相连，升压调节模块的输出端Uw+与降压调节模块的输入端U21+相连，升压调节模块的输出端U10-与降压调节模块的输入端U21-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U20+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U2tr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I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Iin与电流检测I的信号输出相连，输入引脚Uin与电压检测I的信号输出相连,输入引脚T1与温度检测I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Imrt与电流检测2的信号输出相连，输入引脚Urat与电压检测2的信号输出相连,输入引脚Iltjad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PWMl和PWM2分别与带上电保护的IGBT驱动电路的输入引脚Al、BI相连，带上电保护的IGBT驱动电路的输出引脚Gl与升压调节模块的功率管VTl的控制级相连，输入引脚C1、E1分别与功率管VTl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Al、BI相连，将MCU发出的DPWM1、DPWM2信号翻转成驱动信号NPWMl、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Xl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Yl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VDDl标准电平的驱动信号ZPWM1、ZPWM2 ；MCU的功率保护引脚ToPINTA连接二极管D3的阳极，同时通过Rl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，Faultl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I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。
5.如权利要求1-4任一项所述的燃料电池能量可控输出装置，其控制方法为所述燃料电池输出特性偏软的直流电，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；蓄电池与负载并联在降压调节模块的输出端，蓄电池与燃料电池一起参与能量的分配；电流检测2采样能量可控输出装置的输出电流Iwt，电流检测3采样负载电流IlMd，流经蓄电池电流Ib由ilMd-iwt计算得出，所述能量可控输出装置工作在四种控制模式下，由4组合式PID控制器控制，并在控制模式间无缝切换，使电压、电流平顺过电压控制模式下，主控制模块接收CAN总线的指令电压作为参考电压UMf (k)，与该装置的输出电压值U(k)作比较，差值eu(k)输入给电压PID控制器，得到控制增量ADu(k),ADu(k)与原来控制量Du(K-I)相加后得到新的脉宽调制值Du(k)，经驱动电路后控制该装置的输出电压为用户指令电压；电流控制模式下，主控制模块接收CAN总线指令电流作为参考电流IMf (k)，与该装置的输出电流值I (k)作比较，差值ejk)输入给电流PID控制器，得到控制增量ADiGO,ADiGO与原来控制量Di (K-I)相加后得到新的脉宽调制值DiGO，经驱动电路后控制该装置的输出电流为用户指令电流；功率控制模式下，主控制模块接收CAN总线指令功率作为参考功率PMf (k)，与装置实际输出功率P (k)比较，差值ep(k)输入给功率PID控制器I，得到控制增量ADp(k)，ADP(k)与原来控制量Dp(K-I)相加后得到新的脉宽调制值Dp(k)，经驱动电路后控制该装置的输出功率为用户指令功率；负载功率跟随模式下，装置自动跟踪计算负载功率，并作为参考值与装置实际输出功率P*(k)比较，差值<(幻输入给功率PID控制器2，得到控制增量AX);㈨AD;(k)与原来控制量(夂-I)相加后得到新的脉宽调制值0;(幻，经驱动电路后控制该装置的输出功率为负载需求的功率，从而使蓄电池处于不充电也不放电的状态。
6.如权利要求5所述的燃料电池能量可控输出装置的控制方法，其特征在于主控制模块采用软启动算法，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。
7.如权利要求5所述的燃料电池能量可控输出装置的控制方法，其特征在于故障诊断与报警模块集成有故障诊断专家系统，根据电压、电流、温度信号采样信息以及该装置当前的控制状态，实时诊断欠压、过压、过流、过温以及传感器安装失灵症状，当装置出现故障时，自动进行功率输出保护，并显示相应的故障代码及蜂鸣报警。
全文摘要
本发明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。本发明采用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。所述装置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。采用软启动控制和4组合式PID控制算法，增加了装置工作的精确性与稳定性。该能量可控输出装置转换效率高，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。
文档编号H01M8/04GK102916205SQ20111022362
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者全琎, 黄亮, 张锐明, 全书海, 熊荧 申请人:全琎