[发明专利]一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置及方法

说明书

本发明公开一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置，有两级变换架构，前级为多相交错并联Boost变换器，总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器，用于控制后级DC/DC的输出；两级变换器由一个主控制器控制；主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常规PID控制器，各带切相控制的PID控制器分别用于控制多相交错并联Boost变换器的不同工作相；每个带切相控制的PID控制器带前馈矫正电路，前馈矫正电路通过采集各自相的电流I_L(K)与多相交错并联Boost变换器所有工作相的电感电流平均值的差值作为前馈信号进行控制矫正；每个带切相控制的PID控制器同时引入迟滞比较器避免控制器在调整点反复切换。本发明还公开一种燃料电池低纹波高效率能量控制方法。

技术领域

本发明涉及燃料电池控制系统领域，特别是涉及一种燃料电池能量控制装置及控制方法。

背景技术

燃料电池输出电压电流特性偏软，不太适合作为用电设备单一的直接供电电源。通常会在燃料电池和负载之间加装DC/DC直流变换器作为能量控制装置，使负载获得相对稳定的电压或电流。但是DC/DC直流变换器的输入纹波会影响燃料电池的特性衰减，减少燃料电池的使用寿命。

交错并联技术由于相位的偏移实现电流纹波的削峰填谷，能够有效抑制纹波，因此经常用于对纹波要求非常高的场合。在所有电力变换拓扑架构中，Boost变换器能够有效抑制输入纹波，因此非常适合于燃料电池输出控制场合。燃料电池汽车领域遥遥领先的产品丰田mirai采用的就是四相交错并联Boost变换器来控制燃料电池的输出。在一些宽工作电压范围的电源应用里，也常采用前级Boost变换器+后级DC/DC变换器的两级变换架构，Boost变换器的作用是在完成升压功能的同时，提高了系统的功率等级以及拓宽燃料电池的工作电压范围。

在满足负载功率需求的前提下，通过降低并联相数从而减少功率管数目，可以提高整体系统的效率，保证在整个功率范围内实现能量控制装置的效率最大化。例如，四相交错并联Boost变换器工作在50％负载区时，两相交错并联工作效率最大；工作在25％负载区时，单相工作效率最大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低纹波高效率的燃料电池能量控制装置。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种燃料电池低纹波高效率能量控制装置，其特征在于：能量控制装置有两级变换架构，前级为多相交错并联Boost变换器，总相数N大于4，后级为任意拓扑结构的DC/DC变换器；两级变换器由一个主控制器控制；主控制器内含N个带切相控制的PID控制器和一个常规PID控制器，各带切相控制的PID控制器分别用于控制多相交错并联Boost变换器的不同工作相；每个带切相控制的PID控制器通过采集各自相的电流I_L(K)与多相交错并联Boost变换器所有工作相的电感电流平均值的差值作为前馈信号进行控制矫正；每个带切相控制的PID控制器同时引入迟滞比较器避免控制器在调整点反复切换；常规PID控制器用于控制后级DC/DC的输出；其中，K表示从1到N的任意一相，I_in表示多相交错并联Boost变换器总输入电流，N_on表示工作的相数。