一种质子交换膜燃料电池应急发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）应急电源发电系统，提供了一种集新能源发电、功率变换、数据采集和高精度控制于一体的设计方法，具有保证PEMFC理想工作温度同时将特性较软的输出电压稳定在期望值的功能。其中功率变换单元采用交错并联方式下的四开关Buck‑Boost变换器；数据采集包括PEMFC温度采集和功率变换单元输出电压采集；控制单元根据采集数据与期望值的误差采用高精度的控制算法，通过DSP的I/O端口实现；调制方式是针对于功率变换单元中不同开关组，采用频率相同，触发时间点不同的方式，从而有效降低损耗；本发明专利技术可用于PEMFC发电机理以及便携式移动电源的研究，同时可有效提高PEMFC的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池应急发电系统
本专利技术属于电力电子变换领域，特别是一种质子交换膜燃料电池应急发电系统。
技术介绍
随着经济的快速发展，环境问题愈发严重，高效清洁的能源发电技术越来越受重视，包括太阳能、风能和氢能在内的新能源发电技术得到迅猛发展。其中质子交换膜燃料电池是一种将氢气化学能直接转化为电能的发电装置，生成物为水和热，不受卡诺循环的限制，具有效率高，低温启动，无污染的特点，被认为是未来最理想的可替代发电技术之一。现阶段，基于工艺和成本的考虑，质子交换膜燃料电池还未普及，但在一些领域却潜藏着巨大的发展空间，其中移动基站应急电源就是其中之一。目前主要的辅助供电系统大都采用锂电池和铅酸蓄电池供电方式，但在充电时间、使用寿命上具有先天的缺陷，而且在更新换代淘汰时的回收上隐藏着环境污染的问题。质子交换膜燃料电池就如发电机一样，不存储电能，而是一个能量转换装置，具有先天的优势。但质子交换膜燃料电池输出电压是直流电，受工作环境和负载变化影响较大，输出特性较软，无法直接应用于实际生产生活中。因此，设计一种质子交换膜燃料电池发电系统是非常必要的。现有质子交换膜燃料电池发电系统较少，其中主拓扑多采用Buck或Boost，或是Buck-Boost电路，仅能单纯的升压或降压，或是非同极性的升降压，吴屏的硕士毕业论文《燃料电池发电系统前端DC/DC变换器设计》中采用的是电压型移相全桥电路作为主拓扑，能够较好的实现期望的功能，但其本质上是一个二阶系统，对于相关控制单元的设计带来了不便，也存在变压器设计复杂，器件多，成本高的问题。因此，设计一种同时实现同极性升降压功能，并且原理简单、所需器件较少、成本适当的燃料电池发电系统是一个很有前景的方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有辅助电源系统的缺点，提供一种高效清洁具有高精度、高可靠性的，稳定输出24V直流电压的质子交换膜燃料电池发电系统设计方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种质子交换膜燃料电池应急发电系统，包含PEMFC电堆、功率变换单元和控制单元，PEMFC电堆通过供氢端口连接压力稳定的氢气供应设备，PEMFC电堆输出端正负极直接与功率变换单元的正负极相连；功率变换单元主电路采用两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器，将PEMFC电堆不稳定的输出电压变换为稳定的直流电压，输出端为可调的电压采集模块，同时预留输出电压端口；控制单元通过电压采样获得功率变换单元的输出电压信息，与期望电压进行比较得到误差，并根据误差调整控制信号输出，即四开关Buck-Boost变换器的开关管PWM信号。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)交错并联方法在四开关Buck-Boost变换器的使用，主要目的在于减小输出纹波和提高电源系统的响应速度，可以有效降低在开关管动作过程中对PEMFC输出电流的影响，同时可以减小对PEMFC的伤害，提高电堆使用寿命；2)对同一四开关Buck-Boost变换器的不同组组开关采取Buck组开关触发点与周期起始点一致，Boost组开关关闭点与周期结束点一致的方式可以有效降低输出电压的纹波，降低电感的体积，提高变换器的效率；3)四开关Buck-Boost变换器的选取可以有效降低成本及为后续控制器的设计提供便利。附图说明图1是质子交换膜燃料电池应急发电系统结构框图。图2是四开关Buck-Boost变换器。图3是两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器。图4是功率变换单元Buck模式控制时序。图5是功率变换单元Boost模式控制时序。图6是控制单元流程图。具体实施方式本专利技术一种质子交换膜燃料电池应急发电系统，它包括空冷自增湿型PEMFC电堆，由两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器组成的功率变换单元，以TSM320F28335型DSP为核心的控制单元。其中，PEMFC电堆具有氢气供气端口，用来为电池供应发电所需的高纯氢燃料；温度采集端口，用来采集PEMFC内部工作温度；风扇通过转速变换为PEMFC送入空气，同时调整PEMFC内部温度，并引出两根导线为电堆输出电压的正负极；主拓扑的输入端直接连接电堆输出电压的正负极，输出端留有电压采样端口，同时留有Buck组和Boost组PWM波驱动端口；控制单元通过DSP的A/D端口接收主拓扑输出电压采样信号和PEMFC内部温度，与期望值相比较，由高精度控制算法调整PWM的占空比及时序来保证输出电压的精度和风扇转速。下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照附图1，质子交换膜燃料电池应急发电系统由集成了风扇、温度采样和供氢端口的PEMFC电堆、以四开关Buck-Boost电路为主拓扑的功率变换单元以及以DSP为主控芯片的控制单元组成，其中调制方式在控制单元中实现。参照附图2，以四开关Buck-Boost变换器为例说明工作机理，由PEMFC输出电压作为Vin，Q1，QSR1为Buck组开关，占空比分别为D1和1-D1；Q2，QSR2为Boost组开关，占空比分别为D2和1-D2。根据一个周期内A、B两点伏秒积平衡可得：Vin·D1＝Vout·(1-D2)，整个电路的增益为：通过控制单元调节Buck组和Boost组开关的占空比D1、D2实现功率变换单元的同极性升降压功能。参照附图3，功率变换单元中包含两个四开关Buck-Boost变换器以交错并联方式形成一个整体，称之为两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器，具体实现方式为：将两个变换器的Buck组和Boost组开关分别并联，共用一个输出端。对输出端而言相当于两个相等的直流电压源并联，因此并联后的电路增益不变。同时，在PEMFC通入氢气期间，PEMFC是连续不断输出电能的，为了防止在开关断开期间PEMFC输出电流出现断续的情况，将两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器的Buck组开关采取频率一致，占空比设定为0.5，即D1＝0.5，以错开1/2周期方式交替工作。因此，对于PEMFC来说，其相当于一个电流连续的直流电源。以单相四开关Buck-Boost电路为例，对比分析传统控制时序与新的控制时序方法。具体实现方式为：在传统控制时序中，Buck组和Boost组开关采用同沿触发方式，即在周期起始点两组开关均触发；在新的控制时序中，Buck组开关采用周期起始点触发的方式，而Boost组开关采用周期结束点关断的方式。参照附图4，重点分析两种时序下电感电流波形图，当Vin＞Vout，变换器工作于Buck模式，由增益可得D1+D2＜1，传统控制时序下，一个周期内开关导通有三种情况：Q1和Q2导通，电感处于充电状态，充电电压为Vin；Q1和QSR2导通，由于Vin＞Vout，电感仍处于充电状态，充电电压为Vin-Vout；QSR1和QSR2导通，此时电感受到反压处于放电状态，放电电压为-Vout。在新的控制时序下，一个周期内也存在三种情况：Q1和QSR2导通，由于Vin＞Vout，电感处于充电状态，充电电压为Vin-Vout；QSR1和QSR2导通，此时电感受到反压处于放点状态，放电电压为-Vout；QSR1和Q2导通，此时加在电感两端的电压为0，电感电流保持不变。可以看出，在Buck模式下，新的控制时序与传统控制时序相比，主要是出现了一段电感电流不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池应急发电系统，包含PEMFC电堆、功率变换单元和控制单元，其特征在于：PEMFC电堆通过供氢端口连接氢气供应设备， PEMFC电堆输出端正负极与功率变换单元的正负极相连；功率变换单元主电路采用两相交错并联式四开关Buck‑Boost变换器，将PEMFC电堆不稳定的输出电压变换为稳定的直流电压，输出端为可调的电压采集模块，同时预留输出电压端口；控制单元通过电压采样获得功率变换单元的输出电压信息，与期望电压进行比较得到误差，并根据误差调整控制信号输出，即四开关Buck‑Boost变换器的开关管PWM信号。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池应急发电系统，包含PEMFC电堆、功率变换单元和控制单元，其特征在于：PEMFC电堆通过供氢端口连接氢气供应设备，PEMFC电堆输出端正负极与功率变换单元的正负极相连；功率变换单元主电路采用两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器，将PEMFC电堆不稳定的输出电压变换为稳定的直流电压，输出端为可调的电压采集模块，同时预留输出电压端口；控制单元通过电压采样获得功率变换单元的输出电压信息，与期望电压进行比较得到误差，并根据误差调整控制信号输出，即四开关Buck-Boost变换器的开关管PWM信号。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池应急发电系统，其特征在于：所述PEMFC电堆包括空冷自增湿型质子交换膜燃料电池、侧方集成风扇模块和温度采集模块，侧方集成风扇模块为PEMFC电堆供应氧气，同时保证PEMFC电堆工作于理想温度下；温度采集模块采集收集PEMFC电堆的内部温度，并通过A/D端口传递给控制单元。3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池应急发电系统，其特征在于：所述功率变换单元采用两相交错并联式四开关Buck-Boost变换器为主电路，确保功率变换单元的输出电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡迪，唐银银，戚志东，何永康，徐民强，薛长森，戈卫平，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32