[发明专利]一种燃料电池能量可控输出装置及控制方法

说明书

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：

1)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1与升压调节模块的输入端U_1I+相连，燃料电池输出负极(-)与升压调节模块的输入端U_1I-相连，升压调节模块的输出端U_1O+与降压调节模块的输入端U_2I+相连，升压调节模块的输出端U_1O-与降压调节模块的输入端U_2I-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U_2O+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U_2O-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，蓄电池与燃料电池一起参与能量的分配。