氫燃料電池混合動力控制系統(tǒng)硬件設計摘要：氫燃料電池具備綠色低碳、能量密度高等有點，但存在動態(tài)輸出響應相對較慢的缺點。通過主控制器、PWM控制器、數(shù)字電位器和功率傳感器等元器件的配合，可使得氫燃料電池與鋰電池搭建構成具備動態(tài)響應積極、續(xù)航能力較強的混合動力系統(tǒng)。1.氫燃料電池混合動力系統(tǒng)簡介氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它具有能量密度高、綠色低碳、效率高、無噪聲等優(yōu)點，但其動態(tài)輸出響應相對較慢，因此將鋰電池與氫燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)，實現(xiàn)以氫燃料電池系統(tǒng)為主動力輸出，峰值功率輸出和瞬態(tài)工況時由鋰電池同步輸出的混合動力系統(tǒng)，從而提升動力系統(tǒng)的整體動態(tài)響應、減少負荷瞬變對氫燃料電池造成的沖擊、延長氫燃料電池的壽命1.混合動力控制系統(tǒng)硬件選取如該混合動力系統(tǒng)有較大的需求量，可根據(jù)氫燃料電池、鋰電池和負載的特性開發(fā)專用的DC/DC,將通訊接口、功率控制等元器件集成到DC/DC里。但如果該混合動力系統(tǒng)僅小范圍應用，開發(fā)專用DC/DC的成本過高，可通過本設計實現(xiàn)相同的功能,主要零部件選取如下：1.氫燃料電池：氫燃料電池是本混合動力系統(tǒng)的核心部件，需具備如下功能：具備與負載匹配的額定功率；2.具備輸出電流、電壓和功率的監(jiān)測輸出接口（本設計采用更加精準的外置功率傳感器）。1.DC/DC：如采用穩(wěn)定輸出電壓的DC/DC,當需求功率大于氫燃料電池輸出功率時，DC/DC的輸出電壓并不會下降，而鋰電池電壓一直低于DC/DC輸出電壓，導致鋰電池無法輸出功率。如通過控制DC/DC輸出和鋰電池輸出的通斷來實現(xiàn)混合動力輸出，但這樣做需要增加至少一個功率傳感器和多個繼電器開關，同時會使得控制邏輯異常復雜。另外，頻繁接入、切除鋰電池會導致系統(tǒng)不斷受到?jīng)_擊，出現(xiàn)系統(tǒng)電壓和功率不穩(wěn)定、零部件容易損壞等嚴重問題。因此合適的DC/DC需具備如下功能：1.具備匹配氫燃料電池輸出電壓范圍的輸入電壓范圍；2.具備匹配混合動力系統(tǒng)母線電壓的輸出電壓范圍；3.具備輸出電壓調(diào)節(jié)功能，將輸出電壓調(diào)節(jié)至接近鋰電池的充電電壓；4.具備輸出電流限制功能，使得燃料電池輸出功率不超過額定功率；5.當需求功率大于輸出功率時，輸出電壓下降，使得鋰電池能夠輸出功率；具備功率輸出控制功能或接口，從而實現(xiàn)燃料電池輸出功率的穩(wěn)定升降（本設計采用DC/DC輸出電流控制回路外接數(shù)字電位器和氫燃料電池輸出母線上外接功率控制器實現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率控制）。1.主控制器：為了實現(xiàn)一個主控制器完成對所有動力元器件和輔助元器件的控制，主控制器需具備如下功能：1.具備滿足控制程序大小需求的可編程ROM；2.具備滿足控制程序運行的RAM；3.具備滿足系統(tǒng)硬件控制需求的數(shù)字輸入/輸出端口；4.具備滿足系統(tǒng)硬件控制需求的模擬輸入/輸出端口；5.具備可編程通訊接口；6.具備至少一個PWM控制端口；7.支持外接直流電源供電接口。功率控制器：為了實現(xiàn)燃料電池穩(wěn)定的功率升降過程，需利用功率控制器實現(xiàn)燃料電池輸出功率的調(diào)節(jié)控制，本設計選取數(shù)字電位器和PWM控制器作為DC/DC輸出功率控制器。其中PWM控制器需滿足如下條件：1.具備與燃料電池輸出動力回路連接的接口，并滿足電壓等級需求；2.具備與主控制器PWM端口連接，并接受主控制器PWM輸出信號控制，從而實現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率控制。另外數(shù)字電位器需滿足如下條件：1.與DC/DC直接連接，因此需具備一定的抗強電沖擊性能；2.具備與主控制器數(shù)字端口連接，并接受主控制器數(shù)字輸出信號控制，從而實現(xiàn)DC/DC輸出功率控制。1.功率傳感器：為了控制氫燃料電池的升降功率速度，因此需要監(jiān)測氫燃料電池的實時輸出功率，需在氫燃料電池輸出端或DC/DC輸出端連接功率傳感器，功率傳感器需滿足如下要求：1.具備與主控制器匹配的通訊接口；具備與動力系統(tǒng)連接端口，且動力回路具備相應的耐壓等級；3.具備精確且響應快的功率測量功能，且測量回路與動力回路隔離。1.鋰電池：為了平滑氫燃料電池輸出功率、匹配負載的峰值輸出和快速響應，鋰電池需具備如下功能：1.具備匹配混合動力系統(tǒng)母線電壓的輸出電壓范圍；2.具有較高的峰值輸出功率，比如額定功率的3倍以上。1.數(shù)字電位器：數(shù)字電位器也稱為數(shù)控可編程電阻器，是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械電位器的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號處理的集成電路。數(shù)字電位器由數(shù)字輸入控制，產(chǎn)生一個模擬量的輸出。數(shù)字電位器是一種集成電路，能承受的電壓、電流等級較低，無法與強電回路連接，因此選用多個光電耦合器分別并聯(lián)多個不同阻值的電阻后再串聯(lián)構成數(shù)字電位器（可根據(jù)實際情況增減級數(shù)來實現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)精度），通過主控制器輸出的多個數(shù)字信號分別控制光電耦合器的通斷來實現(xiàn)數(shù)字電位器的阻值調(diào)節(jié)，同時通過光電耦合器實現(xiàn)了強弱電的隔離。1.氫燃料電池混合動力系統(tǒng)架構設計：由于氫燃料電池存在動態(tài)響應較慢、超功率運行和功率頻繁大幅變動容易導致壽命減少甚至損壞等特性，因此混合動力系統(tǒng)在架構上需將鋰電池與氫燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)，同時監(jiān)測氫燃料電池系統(tǒng)的實時輸出功率用來控制氫燃料電池的輸出功率和最大功率。由于具體設計如下：1.氫燃料電池動力輸出回路與氫燃料電池控制器動力輸入回路連接，實現(xiàn)功率輸出；2.氫燃料電池控制器動力回路輸出與DC/DC動力輸入回路連接，實現(xiàn)將氫燃料電池較為寬泛的電壓范圍轉(zhuǎn)變?yōu)殇囯姵爻潆婋妷?，且該電壓與負載電壓范圍匹配3.DC/DC動力輸出回路與PWM控制器動力輸入回路連接；4.PWM控制器動力輸出回路與功率傳感器動力輸入回路連接；5.功率傳感器動力輸出回路與鋰電池并聯(lián)，再輸出至負載；6.數(shù)字電位器電阻兩端與DC/DC輸出電流限制回路連接，同時數(shù)字電位器各數(shù)字信號輸入端與主控制器數(shù)字信號輸出端相連，實現(xiàn)主控制器控制數(shù)字電位器中的各光電耦合器的通斷，從而控制電阻階躍式變化，進而控制DC/DC輸出電流限值，最終實現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)最大輸出功率的控制；7.PWM控制器的PWM信號端與主控制器的PWM信號輸出端連接，接收主控制器的功率調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)最大輸出功率限值之內(nèi)的輸出功率控制；8.功率傳感器的通訊接口與主控制器的通訊接口連接，發(fā)送氫燃料電池系統(tǒng)實時功率信號至主控制器，用于產(chǎn)生PWM控制信號和數(shù)字電位器電阻調(diào)節(jié)數(shù)字控制信號；

J-rssr曰池J-rssr曰池1L唄in-VinVcK/Xri1.氫燃料電池混合動力系統(tǒng)運行控制：1.負載啟動升負荷：負載啟動增加需求功率時，主控制器通過PWM控制器逐步增加開度至全開，氫燃料電池系統(tǒng)的輸出功率逐步增加到數(shù)字電位器初始電阻對應的最小功率限值然后主控制器通過數(shù)字輸入接口逐步調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，使得氫燃料電池系統(tǒng)功率逐步增加到額定功率且保持額定功率運行，啟動過程中，鋰電池提供需求功率與氫燃料電池輸出功率的差值功率。1.負載負荷變化：當負載負荷變化時，氫燃料電池系統(tǒng)保持額定功率輸出，如負載負荷小于此功率，則多余的功率給鋰電池充電；相反，鋰電池同步輸出功率。1.負載降負荷停運：主控制器通過PWM控制器逐步減少開度至全關，氫