专利名称：一种具有恒流恒功率的电子负载控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于燃料电池测试系统的电子负载控制器。
背景技术：
在2007年12月的大连理工大学的硕士学位论文中公开了 "微小型燃料电池测试 系统研究"。在第13、14页中说明了电子负载属于燃料电池测试系统的一部分。电子负载 负责模拟各种情况下负载的变化，同时监测和控制燃料电池的输出电压、电流、功率和负载 的电阻变化等运行参数。 在2007年5月的成都电子科技大学的硕士学位论文中公开了"一种燃料电池测试 系统的电子负载设计"。在第7、8、9页中说明了电子负载的构成。 燃料电池堆输出特性的主要考核指标包括有输出外特性曲线和动态响应速度。外 特性曲线是指其输出电流和电压的伏安特性曲线，其单体电压外特性曲线可以划分为活化 区、欧姆极化区和浓差极化区，如图2所示。活化区是指在燃料电池加载起始阶段，其输出 电压下降较快；在起始阶段之后进入欧姆极化区，输出电压随输出电流增加而近似线性下 降；当输出电压降低到一定程度时，此时若进一步增大燃料电池的输出电流(功率)，则有 可能使燃料电池超过其使用极限，影响使用寿命，这个区域被称为浓差极化区；动态响应速 度是指燃料电池堆输出电流(功率)跟随变化目标值的响应速度。 燃料电池堆外特性曲线趋势与单体电压外特性曲线类似，具体参数与堆内部单体 电池数量、组合方式和衰减程度有关，这使得不同电堆输出特性存在较大差异。而燃料电池 堆外特性曲线对整车控制有着重要的参考价值，因此出厂前有必要进行测试，以确保电堆 能满足当前整车控制的要求。欲绘制出其输出特性曲线，就必须搭建一套能实时改变燃料 电池堆输出电流和功率的测试平台。以往的测试是通过台架试验模拟整车动力系统构型实 现的，实际装车后基于能量混合型动力系统构型的燃料电池城市客车采用DC/DC变换器控 制燃料电池堆输出的能量流动，这种控制主要是针对DC/DC输出电压和电流而言的，并没 有对燃料电池堆输出电流，即DC/DC变换器输入电流进行控制；对于燃料电池输出功率的 调节虽然可以通过控制DC/DC变换器输出电流调节DC/DC变换器输出功率实现，但由于DC/ DC变换器效率受输入输出电压和输出功率等因素影响而浮动较大，并不能真实反应燃料电 池堆输出功率。此外，为了避免测试过程中燃料电池堆工作进入浓差极化区，需要对其进行 欠压保护，即当燃料电池堆输出电压低于某值时自动关闭输出。这就要求电子负载控制器 具备输入欠压保护功能并可以随时在线设定欠压值以适应多种规格的燃料电池堆。
在燃料电池测试系统中设计电子负载，是为了测试燃料电池堆的外特性。然而现 有的电子负载不能适用于不同规格的燃料电池堆的外特性测试，故本发明设计一种能够进 行大功率、且适于不同规格的电子负载控制器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，该电子负载控制器
4中增设了等效阻抗电路，该等效阻抗电路设置在燃料电池与电子负载控制器的控制电路之 间。 本发明的一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，包括有等效阻抗电路、DSP处理 器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路，其中，DSP处理器、D/A转换器、第 一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；该等效阻抗电路设 置在燃料电池与控制电路之间。 所述的等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一 滤波电感b、第二滤波电感k、第三滤波电感Ly第四滤波电感k、第一滤波电容Q、第二滤 波电容G、第三滤波电容Q、第一功率开关管1\、第二功率开关管L、第一功率二极管D^第 二功率二极管D2和功率电阻R。燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感1^的1端和第 二滤波电感^的1端连接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容Q的2端和第二滤波 电容C2的2端连接；电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器 套接在燃料电池的输出正极与第一滤波电感^的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电 池的输出正极与第二滤波电感1^的1端之间；第一滤波电感1^的2端分别与第一滤波电容 Q的1端和第一功率开关管1\的集电极连接；第二滤波电感L2的2端分别与第二滤波电容
C2的1端和第二功率开关管T2的集电极连接；第一功率开关管L的发射极分别与第一功
率二极管D工的阴极和第三滤波电感L3的1端连接，第一功率开关管1\的基极与第一驱动 电路连接；第一功率二极管D工的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第二功率开关管T2的 发射极分别与第二功率二极管02的阴极和第四滤波电感L4的1端连接，第二功率开关管L 的基极与第二驱动电路连接；第二功率二极管02的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第 三滤波电感L3的2端与第四滤波电感L4的2端连接后，且与第三滤波电容C3的1端连接， 第三滤波电容C3的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C3并联。
所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第一滤波电感k与第一滤波电容
Q形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性；第二滤 波电感L2与第二滤波电容C2形成B滤波电路，该B滤波电路能够保障燃料电池正极端输出 电流的连续可控性。 所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第三滤波电感1^与第三滤波电容 C3形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率开关管1\和第一功率二 极管D工输出的高频分量，得到直流分量。 所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第四滤波电感L4与第三滤波电容 C3形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率开关管T2和第二功率二 极管D2输出的高频分量，得到直流分量。 所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其中第一功率开关管1\、第一功率二 极管Dp第三滤波电感1^和第三滤波电容Q形成单路Buck电路；第二功率开关管L、第二 功率二极管Dy第四滤波电感L4和第三滤波电容C3形成另一单路Buck电路。
本发明电子负载控制器的优点在于 ①在Buck电路前级添加了滤波电感和电容，保证了输入电流连续可控。 ②采用双路并联拓扑结构大大降低了电压电流应力，增加了电源的可靠性和安全
工作范围。
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③本发明设计的电子负载控制器可以适用于输出功率为0 100kW、输出电压为0 600V、输出电流为0 300A的燃料电池堆测试，实现燃料电池输出恒流和恒功率控制，电流误差不超过0. 3A，功率误差不超过0. lkW。
图1是本发明电子负载控制器的结构框图。
图2是燃料电池单体电压输出特性曲线。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。 参见图1所示，本发明是一种适用于燃料电池的具有恒流恒功率的电子负载控制器，该电子负载控制器包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路和等效阻抗电路；其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间。计算机(运行有IXXAT V2. 2软件)用于监测燃料电池的状态，同时给电子负载控制器发送指令。计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB ;操作系统为windows2000/2003/XP。 本发明设计的电子负载控制器，通过控制电路来控制等效阻抗电路的输出阻抗，从而改变燃料电池的输出电流和功率。 在本发明中的等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一滤波电感Lp第二滤波电感l^、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第一滤波电容Q、
第二滤波电容(:2、第三滤波电容(:3、第一功率开关管1\、第二功率开关管12、第一功率二极管
Dp第二功率二极管D2和功率电阻R。 其中，第一滤波电感与第一滤波电容Q形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。 其中，第二滤波电感L2与第二滤波电容C2形成B滤波电路，该B滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。 A滤波电路与B滤波电路并联设置在燃料电池与两个功率开关管之间，与单路Buck电路相比，双路并联Buck降压型拓扑结构的电压电流应力都大大降低了。在相同燃料电池堆输出电流前提下，流过每一支路电流为总电流的1/2，单位时间内电流的变化随之减半，开关管关断时由于存在寄生电感而产生的电压尖峰也大大降低了，从而增大了输入电压安全工作的范围。 其中，第三滤波电感L3与第三滤波电容C3形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率开关管1\和第一功率二极管D工输出的高频分量，得到直流分量。
其中，第四滤波电感L4与第三滤波电容C3形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率开关管T2和第二功率二极管D2输出的高频分量，得到直流分量。
其中，第一功率开关管1\、第一功率二极管D"第三滤波电感L3和第三滤波电容C3形成单路Buck电路。
其中，第二功率开关管12、第二功率二极管02、第四滤波电感1^4和第三滤波电容(:3 形成另一单路Buck电路。 电压传感器用于采集燃料电池的输出电压Ui，即负载控制器的输入电压，该输出 电压Ui返馈给DSP处理器作为电压采集值Ui'。 第一电流传感器用于采集第一滤波电感上流过的电流，该电流返馈给DSP处理 器作为第一支路的电流采样值I" 第二电流传感器用于采集第二滤波电感L2上流过的电流，该电流返馈给DSP处理 器作为第二支路的电流采样值12。 DSP处理器第一方面对接收到的电压采集值Ui'进行均值滤波处理后，输出滤波 后电压值U给计算机； DSP处理器第二方面对接收到的第一支路电流采样值L进行均值滤波处理后，输 出滤波后第一电流I/ ; DSP处理器第三方面对接收到的第二支路电流采样值12进行均值滤波处理后，输 出滤波后第二电流12'; DSP处理器第四方面对I/和12'进行求和，输出总电流I给计算机； DSP处理器第五方面将接收到的目标指令f (V。，Mode， Iaim，Paim)通过D/A转换器输
出模拟信号给第一驱动电路和第二驱动电路，从而通过第一驱动电路开启或关断第一功率 开关管L，第二驱动电路开启或关断第二功率开关管L。所述的目标指令f(V。，Mode， Iaim，
PaiJ中，V。表示欠压设定值，M0de表示工作模式，Iaim表示电流设定值，P^表示功率设定值。 在本发明中，DSP处理器首先将欠压设定值V。和电子负载控制器输入电压采样 值Ui'进行比较，当输入电压采样值Ui'小于等于欠压设定值V。时关闭电子负载控制器 (V《V。)； 当输入电压采样值"'高于欠压设定值V。时，根据控制模式Mode选取电子负载
控制器的工作模式，Mode = 0代表恒电流模式，Mode = 1代表恒功率模式。 在恒电流模式下，DSP处理器将电子负载控制器输入电流设定值Iaim通过D/A转换
器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现1\
和T2的通断。从而使电子负载控制器的输入总电流I跟随输入电流设定值Iaim。 在恒功率模式下，DSP处理器接受到功率设定值Paim后，首先除以当前电子负载控
制器输入电压采样值Ui'，将功率设定值P^换算成对应于电子负载控制器输入电流设定
值1^，再将输入电流设定值Iaim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第
一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现1\和T2的通断。从而使电子负载控制器的输
入功率跟随功率设定值P^，将误差范围控制在0. lkW内。 计算机下发目标值f给DSP处理器。在本发明中，可以通过计算机来实时观察燃 料电池的状态。 本发明的等效阻抗电路的电路连接为 燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感的1端和第二滤波电感L2的1端连 接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容Q的2端和第二滤波电容C2的2端连接；
电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器套接在燃料
7电池的输出正极与第一滤波电感^的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电池的输出正 极与第二滤波电感L2的1端之间； 第一滤波电感k的2端分别与第一滤波电容Q的1端和第一功率开关管1\的集 电极连接； 第二滤波电感L2的2端分别与第二滤波电容C2的1端和第二功率开关管T2的集 电极连接； 第一功率开关管1\的发射极分别与第一功率二极管D工的阴极和第三滤波电感L3 的1端连接，第一功率开关管1\的基极与第一驱动电路连接；
第一功率二极管D工的阳极连接在燃料电池的输出负极上； 第二功率开关管T2的发射极分别与第二功率二极管D2的阴极和第四滤波电感L4 的1端连接，第二功率开关管T2的基极与第二驱动电路连接；
第二功率二极管D2的阳极连接在燃料电池的输出负极上； 第三滤波电感L3的2端与第四滤波电感L4的2端连接后，且与第三滤波电容C3的 1端连接，第三滤波电容C3的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C3 并联。 本发明中的电子负载控制器，在第一功率开关管1\和第二功率开关管T2开通与关 断的整个周期中，流经第一滤波电感的电流L和流经第二滤波电感L2的电流I2是连续 的，继而减小了燃料电池堆输出电流的波动。在燃料电池输出正极和负极端上并联电压传 感器测得输入反馈电压"，在滤波电感和滤波电感L2上分别串有第一 电流传感器和第二 电流传感器测得输入反馈电流值L和Iy传感器信号输出给DSP处理芯片；同时通过计算 机将欠压设定值、控制模式、目标电流、目标功率等信息发给DSP处理芯片，最后由第一驱 动电路和第二驱动电路对1\和T2进行导通和关断处理，从而控制电子负载控制器输入电流 和输入功率，即控制了燃料电池输出电流和输出功率；保护电路可以实现电子负载控制器
过流、过温的实时保护，自动切断电源输出。 考虑到目前实际装车的燃料电池堆空载电压一般可以高达400V 500V，输出功 率高达100kW，本装置选用了双路并联Buck降压型拓扑结构，在输入级增加了滤波电感和 电容。非隔离型Buck变换器拓扑结构简单，效率高，并且已经成功应用在能量混合型燃料 电池城市客车中。在相同燃料电池堆输出电流前提下，流过每一支路电流为总电流I的 1/2，单位时间内电流的变化随之减半，开关管关断时由于存在寄生电感而产生的电压尖峰 也大大降低了，从而增大了输入电压安全工作的范围。
权利要求
一种具有恒流恒功率的电子负载控制器，包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路，其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；其特征在于还包括有等效阻抗电路，该等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间；等效阻抗电路包括有电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2和功率电阻R。燃料电池的输出正极分别与第一滤波电感L1的1端和第二滤波电感L2的1端连接，燃料电池的输出负极分别与第一滤波电容C1的2端和第二滤波电容C2的2端连接；电压传感器连接在燃料电池的输出正极与负极之间；第一电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第一滤波电感L1的1端之间；第二电流传感器套接在燃料电池的输出正极与第二滤波电感L2的1端之间；第一滤波电感L1的2端分别与第一滤波电容C1的1端和第一功率开关管T1的集电极连接；第二滤波电感L2的2端分别与第二滤波电容C2的1端和第二功率开关管T2的集电极连接；第一功率开关管T1的发射极分别与第一功率二极管D1的阴极和第三滤波电感L3的1端连接，第一功率开关管T1的基极与第一驱动电路连接；第一功率二极管D1的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第二功率开关管T2的发射极分别与第二功率二极管D2的阴极和第四滤波电感L4的1端连接，第二功率开关管T2的基极与第二驱动电路连接；第二功率二极管D2的阳极连接在燃料电池的输出负极上；第三滤波电感L3的2端与第四滤波电感L4的2端连接后，且与第三滤波电容C3的1端连接，第三滤波电容C3的2端连接在燃料电池的输出负极上，电阻R与第三滤波电容C3并联。
2. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于第一滤波 电感与第一滤波电容Q形成A滤波电路，该A滤波电路能够保障燃料电池正极端输出电 流的连续可控性；第二滤波电感L2与第二滤波电容C2形成B滤波电路，该B滤波电路能够 保障燃料电池正极端输出电流的连续可控性。
3. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于第三滤波 电感L3与第三滤波电容C3形成C滤波电路，该C滤波电路为低通滤波，即滤除经第一功率 开关管1\和第一功率二极管D工输出的高频分量，得到直流分量。
4. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于第四滤波 电感L4与第三滤波电容C3形成D滤波电路，该D滤波电路为低通滤波，即滤除经第二功率 开关管T2和第二功率二极管D2输出的高频分量，得到直流分量。
5. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于第一功率 开关管1\、第一功率二极管Dp第三滤波电感1^和第三滤波电容Q形成单路Buck电路滞 二功率开关管Ty第二功率二极管Dy第四滤波电感L4和第三滤波电容C3形成另一单路Buck电路。
6. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于电压传感器用于采集燃料电池的输出电压仏，即负载控制器的输入电压，该输出电压"返馈给DSP处理器作为电压采集值Ui'。
7. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于第一电流传感器用于采集第一滤波电感上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第一支路的电流采样值L ;第二电流传感器用于采集第二滤波电感1^上流过的电流，该电流返馈给DSP处理器作为第二支路的电流采样值I2。
8. 根据权利要求1、2、3、4、5或者6所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于DSP处理器第一方面对接收到的电压采集值Ui'进行均值滤波处理后，输出滤波后电压值U给计算机；DSP处理器第二方面对接收到的第一支路电流采样值L进行均值滤波处理后，输出滤波后第一电流I/ ;DSP处理器第三方面对接收到的第二支路电流采样值I2进行均值滤波处理后，输出滤波后第二电流12';DSP处理器第四方面对I/和12'进行求和，输出总电流I给计算机；DSP处理器第五方面将接收到的目标指令f (V。，Mode， Iaim，PaiJ通过D/A转换器输出模拟信号给第一驱动电路和第二驱动电路，从而通过第一驱动电路开启或关断第一功率开关管L，第二驱动电路开启或关断第二功率开关管L ;所述的目标指令f(V。， Mode, Iaim， Paim)中，V。表示欠压设定值，Mode表示工作模式，Iaim表示电流设定值，Paim表示功率设定值；DSP处理器首先将欠压设定值V。和电子负载控制器输入电压采样值U/进行比较，当输入电压采样值Ui'小于等于欠压设定值V。时关闭电子负载控制器(U/《V。)；当输入电压采样值U/高于欠压设定值V。时，根据控制模式Mode选取电子负载控制器的工作模式，Mode = 0代表恒电流模式，Mode = 1代表恒功率模式；在恒电流模式下，DSP处理器将电子负载控制器输入电流设定值Iaim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现1\和T2的通断；从而使电子负载控制器的输入总电流I跟随输入电流设定值Iaim ;在恒功率模式下，DSP处理器接受到功率设定值P^后，首先除以当前电子负载控制器输入电压采样值"'，将功率设定值Paim换算成对应于电子负载控制器输入电流设定值Iaim，再将输入电流设定值Iaim通过D/A转换器送至第一驱动电路和第二驱动电路，经第一驱动电路和第二驱动电路放大后最终实现1\和T2的通断；从而使电子负载控制器的输入功率跟随功率设定值P^，将误差范围控制在0. lkW内。
9. 根据权利要求1所述的具有恒流恒功率的电子负载控制器，其特征在于能够适用于输出功率为0 100kW、输出电压为0 600V、输出电流为0 300A的燃料电池堆测试，实现燃料电池输出恒流和恒功率控制，电流误差不超过0. 3A，功率误差不超过0. lkW。
全文摘要
本发明公开了一种用于测试燃料电池的电子负载控制器，该电子负载控制器包括有DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路、保护电路和等效阻抗电路；其中，DSP处理器、D/A转换器、第一驱动电路、第二驱动电路和保护电路形成电子负载的控制电路部分；等效阻抗电路设置在燃料电池与控制电路之间。通过DSP处理器对接收的电压和电流信息进行相关联处理，使得在第一功率开关管T1和第二功率开关管T2开通与关断的整个周期中，实现燃料电池输出电流和输出功率的控制，并且也解决了测试过程中燃料电池堆工作进入浓差极化区，需要对其进行欠压保护。
文档编号G01R31/36GK101782630SQ20101011571
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月25日 优先权日2010年2月25日
发明者徐国宁, 杜青, 齐铂金 申请人:北京航空航天大学