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燃料电池备用电源系统设计与控制研究

 发布时间:2022-03-17    点击量:185

摘要:为了弥补燃料电池作为独立备用电源存在的不足,提出一种以燃料电池为主电源、蓄电池为辅助电源的备用电源系统。根据燃料电池备用电源系统特性,提出了系统电压阈值补偿控制策略及蓄电池充放电控制策略,实现备用电源的不间断切换及动态补偿。基于提出的系统结构和控制策略,研发了一台3kW燃料电池备用电源样机系统。实际测试表明,所提的系统结构及控制策略实用、有效,所设计的燃料电池备用电源系统可用作不间断备用电源。




1 燃料电池备用电源系统设计



燃料电池存在的不足,使得其作为独立的备用电源需要注意以下问题:工作电源掉电实时监测及备用电源不间断切换;燃料电池启动辅助电源设计及管理;燃料电池备用电源系统状态监测;燃料电池备用电源功率补偿控制。




1.2 工作原理



燃料电池备用电源系统在启动后实时监测工作电源的供电状态及备用电源系统本身的状态,并通过人机接口与远程监控中心进行状态参数传输。系统控制单元根据工作电源的供电状态、蓄电池的SOC、备用系统状态等控制备用电源系统中燃料电池发电系统的启动与停止、蓄电池的充放电、备用电源的投入与切除。

在备用电源系统安装完成后,闭合开关K1为负载设备供电,同时燃料电池备用电源控制系统自动启动,再闭合开关K2接入蓄电池。备用电源系统启动后首先对系统进行初始化设置,然后进行工作电源供电状态监测。当系统监测到工作电源供电正常时,备用电源进入待机工作模式:燃料电池发电系统停止发电,断开DK切除蓄电池供电,同时根据蓄电池的SOC对蓄电池进行充电管理;当系统监测到工作电源供电中断时,系统控制器立即闭合开关DK,切换到蓄电池供电工作模式:蓄电池一方面为负载供电,另一方面为系统控制单元启动燃料电池发电系统发电提供启动电源。当备用电源工作在蓄电池供电模式时,系统控制器根据工作电源是否恢复供电、燃料电池输出是否稳定、蓄电池SOC是否达到下限进行状态切换。在燃料电池输出不稳定、工作电源恢复供电时,自动切除备用电源供电,停止燃料电池发电系统发电,同时备用电源进入待机工作模式,负载转由工作电源供电;当系统监测到燃料电池输出稳定、工作电源未恢复供电时,系统转入燃料电池供电模式:系统控制单元启动DC/DC变换器,同时切换到燃料电池供电工作模式,负载设备转为由燃料电池供电;当备用电源工作在燃料电池供电模式时,系统控制单元监测到工作电源供电恢复后,备用电源转入待机工作模式,同时停止燃料电池发电,负载转由工作电源供电。备用电源各工作模式切换示意图如图2所示。


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图2 工作模式切换示意图




1.3.1 蓄电池充电控制策略



备用电源工作在待机模式时,系统控制器在监测系统状态的同时启动蓄电池充电。蓄电池充电管理单元通过检测蓄电池当前的SOC,并根据设置的SOC上限值SOCh及下限值SOCl控制对蓄电池的充放电。在SOC达到SOCh时,停止对蓄电池充电;当SOC低于SOCh时,开始对蓄电池进行充电。其充电控制策略为:

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备用电源工作在燃料电池供电模式时,若燃料电池输出功率PFC大于负载需求功率PLoad,系统控制单元将启动蓄电池充电管理单元对蓄电池进行充电,其充电控制策略与备用电源工作在待机模式时的充电控制策略相同。




1.3.3 电压阈值补偿控制策略



备用电源处于燃料电池供电模式时,系统控制单元根据燃料电池输出功率PFC、负载需求功率PLoad、蓄电池SOC等补偿负载功率突变,其补偿思想为:

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如何检测备用电源中燃料电池输出功率小于负载需求功率是功率补偿控制的关键。由于燃料电池备用电源直流输出额定电压为Uo,其允许连接的直流负载额定电压即为Uo,当监测到输出直流母线电压低于设计的额定电压Uo时,说明负载需求功率大于燃料电池输出功率,导致直流母线电压下降。因此可以设置一个直流母线电压阈值下限UTL及上限UTH。当直流输出电压Uo小于阈值UTL时,说明负载需求功率超过燃料电池输出功率,此时需要切入蓄电池进行功率补偿,同时控制燃料电池发电系统增大功率输出;当直流母线电压Uo大于等于阈值UTH时,说明燃料电池输出功率已达到负载需求功率,此时可切除蓄电池的功率补偿,同时根据蓄电池的SOC对蓄电池进行充电。电压阈值补偿控制策略为:

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2.1 工作电源断电检测


工作电源中断与恢复的实时检测将影响到备用电源的不间断切换时间,可以选择图1中的点a或b进行工作电源断电检测。点a处为交流,需采用交流检测技术;点b处为直流,可采用分压比较检测技术。

对于直流供电一般是市电经AC/DC变换器转换成直流后给负载供电,由于AC/DC变换器输出端有一定容量的电容,所以通过点b检测断电信息有一定的延时,不能准确检测到市电断电时刻,导致系统控制单元不能在断电瞬间投入备用电源而使负载存在断电的危险。经过实际试验测试,通过点b进行断电检测,其延迟时间约为50ms,不能满足备用电源不间断切换的要求。由于点a能直接反映出市电断电瞬间的信息而不存在延迟,故选择在点a进行检测,在交流断电瞬间即可检测到断电信息,其检测电路原理图如图4所示。


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图4 工作电源断电检测原理图


交流220V首先经过整流二极管VD1—VD4整流成高压脉动直流,然后经光耦隔离产生断电信号。此处光耦起到电气隔离的作用以避免对主控制器产生干扰及进行信号电平匹配。当交流有电时光耦导通,检测信号ACST为高电平;当交流断电时光耦截止,检测信号ACST为低电平。经实际测试,此检测电路的检测时间约为10ms。



2.3 CAN通信接口


CAN总线是工业控制局域网的标准总线,属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信总线,具有通信实时性强、速率高、传输距离远等优点。因此系统控制单元采用CAN通信接口与燃料电池发电系统及远端监控中心进行参数、命令传输,能保证通信的实时、稳定。

由于C8051F040内部集成的CAN控制器是一个协议控制器,它并没有提供物理层的收发功能,要实现与CAN总线的通信接口,需要增加外部CAN收发控制器,实现CAN通信数据帧的收发,其接口原理图如图6所示。

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图6 CAN通信接口电路


CAN总线信号CANTX和CANRX经过高速光耦6N137进行电气隔离,再经CAN总线收发器接口芯片SN65HVD230驱动后接到CAN总线上。光耦6N137实现CAN节点与CAN总线间的电气隔离,提高节点可靠性,并保护CAN总线上的其他节点。




3 系统控制单元工作流程


燃料电池备用电源系统控制单元是系统的控制核心,主要负责系统参数的采集、蓄电池充放电控制、燃料电池发电控制、供电电源不间断切换及负载功率补偿等。备用电源系统具有3种工作模式:待机模式、蓄电池供电模式、燃料电池供电模式,不同模式下系统控制单元的任务不同,其控制单元工作流程如图7所示。

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图7 工作流程图



燃料电池备用电源系统启动后,根据工作电源的供电情况进入待机模式或蓄电池供电模式。若备用电源在工作电源供电正常时启动,则启动后备用电源进入待机模式,此时系统控制单元只负责监测备用电源系统的待机状态参数、控制蓄电池充电及备用电源异常报警。当工作电源突然断电时,控制单元立即检测到断电信号,先停止对蓄电池的充电,然后闭合开关DK,由蓄电池为负载提供电源,切换到蓄电池供电模式,同时启动燃料电池发电。在燃料电池输出稳定之前,备用电源一直工作在蓄电池供电模式。当系统控制单元检测到燃料电池输出稳定后,控制单元启动DC/DC变换器,转为燃料电池给负载供电。如果此时燃料电池输出功率PFC大于负载需求功率PLoad即Uo>UTH时,则控制单元断开开关DK,切除蓄电池供电,并根据蓄电池当前SOC决定是否启动对蓄电池充电;如果负载突然增加或者燃料电池输出功率PFC小于负载需求功率PLoad即Uo<UTL时,则控制单元闭合开关DK切入蓄电池,由蓄电池、燃料电池共同为负载提供功率,实现燃料电池输出功率不足时,由蓄电池进行动态功率补偿,保障负载设备的稳定、可靠运行。





4 测试与分析


根据所提燃料电池备用电源系统结构及系统控制策略,研制了一台3kW燃料电池备用电源样机。备用电源选用的燃料电池输出电压范围为30~40V,净输出功率为3.5kW,蓄电池容量为60A·h。设计的备用电源输出电压为直流48V,功率为3kW。



4.2 工作模式切换测试


利用10kW电子负载代替实际直流负载设备,按照图1所示的系统结构搭建试验测试平台,并将电子负载功率调节到3kW,对研制的燃料电池备用电源系统进行测试。在市电正常的情况下突然断开市电、在燃料电池供电模式下突然恢复市电供电,用示波器观测直流母线电压曲线变化情况见图9。

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图9 模式切换时直流母线电压曲线图


图9(a)是在燃料电池处于待机模式时,市电断电瞬间系统控制自动切换到蓄电池供电模式的电压曲线,图中蓄电池供电电压只有44.4V,这是由多次试验后蓄电池容量降低导致的,示波器捕捉的切换时间大约为20ms。从图中可以看到在负载功率为3kW的整个切换过程中,负载供电没有中断,只是发生了一定电压跌落,导致电压跌落的原因是蓄电池在多次试验后容量不足。图9(b)是在燃料电池输出稳定后切换到燃料电池供电时的电压波形图。市电恢复供电时切换波形图如图9(c)所示。在燃料电池供电正常的情况下突然恢复交流供电,当市电突然恢复正常供电后,系统控制单元立即检测到交流供电恢复信号ACST为高,并按照设计的控制策略先发送停止燃料电池发电命令(图中①处波形),同时切换到蓄电池供电模式。在燃料电池发电系统确认燃料电池停止发电后,系统控制单元立即切换到交流供电(图中②处波形),并切除蓄电池供电进入待机模式。示波器捕捉的由蓄电池模式恢复交流供电的切换时间大约为40ms。



5 结论



针对目前备用电源系统存在的不足及燃料电池良好的应用前景,本文提出基于燃料电池的备用电源系统结构及其控制策略,替代传统的蓄电池或柴油发电机备用电源,可延长备电时间、缩短切换时间、降低环境污染。随着燃料电池技术的不断发展,燃料电池制造成本的下降,配套设施的逐渐完善,燃料电池作为一种高效节能、环境友好的发电装置,必将在备用电源中得到广泛的应用。



文章来源:CEA氢氢子衿》,作者游志宇等

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