专利名称：燃料电池的辅助储能控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池发电系统的能量控制装置，具体说涉及燃料电池的辅助 储能控制装置。
背景技术：
燃料电池发电系统中，与燃料电池运行关系密切的一些控制参数如气压， 气体流量和湿度等都是由机械装置控制的，造成燃料电池动态响应很慢，不能 满足负载扰动时候的需求，同时负载的扰动还会使得燃料电池内局部温度或是 湿度超出正常范围，威胁到燃料电池的工作安全。而目前燃料电池的辅助储能 控制装置多用超级电容器组直接并联在燃料电池的输出端，当负载扰动的时候， 使得高频负载电流进入超级电容器组而不进入燃料电池，保证燃料电池的工作 安全。在这种结构中，因为超级电容器组的放电范围很宽，而这里受燃料电池发 电系统中直流母线电压的限制，其超级电容的利用率往往不'高，同时超级电容 中的能量的可控性差，不能保证超级电容的工作安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在负载扰动的时候能确保燃料电池安全、可 靠工作的燃料电池的辅助储能控制装置。
本发明的燃料电池的辅助储能控制装置，其特征是包括用于储能的超级 lU容器组，双向直流-直流变换器，电流检测环节，电流控制环节和电压控制环 节，其中电流检测环节包括电流滤波器和第一电流限流控制器，电流控制环节 包括第一减法器、电流控制器和脉宽调制器，电压控制环节包括第二减法器、 电压控制器和第二电流限流控制器；双向直流-直流变换器的一端与超级电容器 组相连，双向直流-直流变换器的另一端与燃料电池发电系统中的直流母线相连， 电流检测环节中的电流滤波器的输入端连接负载电流采样，电流滤波器的输出 端与第一电流限流控制器的输入端连接，第一电流限流控制器的输出端与电流 控制环节中的第一减法器的一个输入端相连，第一减法器的第二个输入端连接 双向直流-直流变换器在燃料电池发电系统侧的输出电流采样，第一减法器的第 三个输入端与电压控制环节中的第二电流限流控制器的输出端相连，第一减法 器的输出端与电流控制器的输入端相连，电流控制器的输出端与脉宽调制器的 输入端相连，脉宽调制器的输出为驱动脉冲信号，与双向直流-直流变换器的驱
动电路相连，电压控制环节中的第二减法器的一个输入端连接固定的电平信号， 另一个输入端连接超级电容器组的电压采样，第二减法器的输出端与电压控制 器的输入端相连，电压控制器的输出端与第二电流限流控制器的输入端相连。
本发明的燃料电池的辅助储能控制装置通过电流检测环节提取负载电流中 的高频成分，作为双向直流-直流变换器的输出电流参考值，通过电流控制环节 控制双向直流-直流变换器的输出电流跟踪电流参考值对超级电容进行充、放电， 实现对负载电流高频成分的补偿，当负载扰动的时候，使得在满足负载需求的 前提下，使得燃料电池的电流可以缓慢的变化，保证燃料电池的工作安全和工 作寿命；同时通过电压控制环节得到维持超级电容器组电压所需要的充、放电 电流参考值送到电流控制环节，控制双向直流-直流变换器对超级电容器组充放 电，使得超级电容器组电压在负载没有扰动或是扰动小的时候维持在一个可以 快速充、放电的状态。
本发明的有益效果在于
通过燃料电池的辅助储能控制装置的工作可以使得燃料电池获得更安全可 靠的工作条件，有利于保证燃料电池的工作安全和工作寿命'，保证燃料电池的 利用率。同时，超级电容器组通过双向直流-直流变换器充、放电，可以不受燃 料电池发电系统中直流母线电压限制，可以提高超级电容器的利用率。本发明 的燃料电池的辅助储能控制装置可用于各种燃料电池发电系统中。
图l是本发明的构成框图。
具体实施例方式
参照图1，本发明的燃料电池的辅助储能控制装置包括用于储能的超级电 容器组l，双向直流-直流变换器2，电流检测环节3，电流控制环节4和电压控 制环节5，其中电流检测环节3包括电流滤波器6和第一电流限流控制器7，电 流控制环节4包括第一减法器8、电流控制器9和脉宽调制器10，电压控制环 节5包括第二减法器11、电压控制器12和第二电流限流控制器13;双向直流-直流变换器2的一端与超级电容器组1相连，双向直流-直流变换器的另一端与 燃料电池发电系统14的直流母线相连；电流检测环节3中的电流滤波器6的输 入端连接负载电流io采样，电流滤波器6的输出端与第一电流限流控制器7的 输入端连接，第一电流限流控制器7的输出端与电流控制环节4中的第一减法 器8的一个输入端相连，第一减法器8的第二个输入端连接双向直流-直流变换 器2在燃料电池发电系统侧的输出电流iBi采样，第一减法器8的第三个输入端
与电压控制环节5中的第二电流限流控制器13的输出端相连，第一减法器8的 输出端与电流控制器9的输入端相连，电流控制器9的输出端与脉宽调制器10 的输入端相连，脉宽调制器10的输出为驱动脉冲信号，与双向直流-直流变换器 2的驱动电路相连，电压控制环节5中的第二减法器11的一个输入端连接固定 的电平信号Vref—SC，另一个输入端连接到超级电容器组1的电压vSC采样， 第二减法器11的输出端与电压控制器12的输入端相连，电压控制器12的输出 端与第二电流限流控制器13的输入端相连。
本发明装置中，超级电容器组可以由超级电容通过适当的串并联实现，双 向直流-直流变换器可以采用常用的Buck-Boost变换器，脉宽调制器可以采用脉 宽调制(PWM)控制芯片UC3525，电流滤波器、第一、第二电流限流控制器、 第一、第二减法器、电流控制器和电压控制器可以采用相应的运算放大器构成 的常用的电路实现，在这里，脉宽调制器、电流滤波器、第一、第二电流限流 控制器、第一、第二减法器、电流控制器和电压控制器也可以采用数字信号处 理器(DSP)或单片机(MCU)在软件中实现。
燃料电池的辅助储能控制装置的工作原理电流检测环令3中的电流滤波 器6获得负载电流采样信号io，电流采样信号io经过电流滤波器6滤去低频的 成分，再经过第一电流限流控制器7限流，作为双向直流-直流变换器2在燃料 电池发电系统侧输出参考电流值iref一Bi送到第一减法器8，电压控制环节5中 的第二减法器11将超级电容器组1的电压采样信号vSC和固定的电平信号 Vref一SC相减，差值送入电压控制器12，经过电压控制器12的计算得到的值再 经过第二限流控制器得到维持超级电容电压所需要的充、放电电流参考值 icharge送到第一减法器8，第一减法器8将两个电流参考值iref一Bi与icharge的 代数和与双向直流-直流变换器2在燃料电池发电系统侧的输出电流采样信号 iBi相减，误差送入电流控制器9，经过电流控制器9得到控制占空比信号D， 该控制信号经过脉宽控制器10调制后得到控制双向直流-直流变换器2的PWM (脉宽控制)信号，送到双向直流-直流变换器2的驱动电路，通过双向直流-直流变换器2的工作实现如下功能
当负载扰动的时候，负载电流io中的高频成分可以通过电流检测环节3检 测出来作为电流控制环节4的参考电流iref—Bi，电流控制环节4控制双向直流-直流变换器2在燃料电池发电系统侧的输出电流iBi跟踪参考电流iref_Bi对超 级电容进行充、放电，使得负载电流中的高频成分可以由超级电容器组l提供， 燃料电池仅仅需要提供一个缓慢变化的电流，保证了燃料电池的工作安全。
当负载没有扰动的时候，电流检测环节3输给电流控制环节4的参考电流 iref一Bi为0，电压控制环节4得到维持超级电容器组1电压所需要的充、放电电 流参考值icharge，作为电流控制环节4的参考电流，控制电流控制环节4控制 双向直流-直流变换器2对超级电容器组1的充、放电使得超级电容器组的电压 维持在一个固定值vref—SC，在这个电压下超级电容器组1可以进行快速的充、 放电。
由于本发明装置是通过双向直流-直流变换器2对超级电容器组1进行充、 放电，因此可以使超级电容器组l的电压利用率提高，充、放电可控性增加。
本发明装置适用于各种燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统所带的负 载可以是普通的能耗型负载，也可以是电网，或者是含有一级或多级功率变换 器的能耗型负载或电网，这里的功率变换器为直流-直流变换器，或为直流-交流 变换器或者为它们的组合。
权利要求
1.燃料电池的辅助储能控制装置，其特征是包括用于储能的超级电容器组(1)，双向直流-直流变换器(2)，电流检测环节(3)，电流控制环节(4)和电压控制环节(5)，其中电流检测环节(3)包括电流滤波器(6)和第一电流限流控制器(7)，电流控制环节(4)包括第一减法器(8)、电流控制器(9)和脉宽调制器(10)，电压控制环节(5)包括第二减法器(11)、电压控制器(12)和第二电流限流控制器(13)；双向直流-直流变换器(2)的一端与超级电容器组(1)相连，双向直流-直流变换器(2)的另一端与燃料电池发电系统中的直流母线相连，电流检测环节(3)中的电流滤波器(6)的输入端连接负载电流采样，电流滤波器(6)的输出端与第一电流限流控制器(7)的输入端连接，第一电流限流控制器(7)的输出端与电流控制环节(4)中的第一减法器(8)的一个输入端相连，第一减法器(8)的第二个输入端连接双向直流-直流变换器(2)在燃料电池发电系统侧的输出电流采样，第一减法器(8)的第三个输入端与电压控制环节(5)中的第二电流限流控制器(13)的输出端相连，第一减法器(8)的输出端与电流控制器(9)的输入端相连，电流控制器(9)的输出端与脉宽调制器(10)的输入端相连，脉宽调制器(10)的输出为驱动脉冲信号，与双向直流-直流变换器(2)的驱动电路相连，电压控制环节(5)中的第二减法器(11)的一个输入端连接固定的电平信号(Vref_SC)，另一个输入端连接超级电容器组(1)的电压采样，第二减法器(11)的输出端与电压控制器(12)的输入端相连，电压控制器(12)的输出端与第二电流限流控制器(13)的输入端相连。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池的辅助储能控制装置，其特征在于负载 是能耗型负载或电网，或者是含有一级或多级功率变换器的能耗型负载或电网， 这里的功率变换器为直流-直流变换器，或为直流-交流变换器或者为它们的组
全文摘要
本发明公开的燃料电池辅助储能控制装置，包括超级电容器组，双向直流-直流变换器，电流检测环节，电流控制环节和电压控制环节。超级电容器组经双向直流-直流变换器连接到燃料电池发电系统中的直流母线上；电流检测环节采样负载电流经滤波后输给电流控制环节，电压控制环节采样超级电容器组的电压调节后输给电流控制环节，由电流控制环节将上述两个信号求代数和后作为参考电流控制双向直流-直流变换器对超级电容充、放电。当负载扰动时，使得在满足负载需求的前提下，燃料电池的电流可以缓慢的变化，保证燃料电池的工作安全和工作寿命；因为该装置是通过双向直流-直流变换器对超级电容器组进行充、放电，因此可以提高超级电容的利用率。
文档编号H02J15/00GK101101995SQ20071006909
公开日2008年1月9日 申请日期2007年6月12日 优先权日2007年6月12日
发明者屏 吴, 徐德鸿, 曹陆萍, 朱选才, 沈国桥 申请人:浙江大学