氢燃料电池混合动力控制系统硬件设计.pdf

氢燃料电池混合动力控制系统硬件设计

摘要：氢燃料电池具备绿色低碳、能量密度高等有点，但存在动态输出响应

相对较慢的缺点。通过主控制器、PWM控制器、数字电位器和功率传感器等元器

件的配合，可使得氢燃料电池与锂电池搭建构成具备动态响应积极、续航能力较

强的混合动力系统。

1.

氢燃料电池混合动力系统简介

氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能转化为电能的发电装置，它具有能

量密度高、绿色低碳、效率高、无噪声等优点，但其动态输出响应相对较慢，因

此将锂电池与氢燃料电池系统并联，实现以氢燃料电池系统为主动力输出，峰值

功率输出和瞬态工况时由锂电池同步输出的混合动力系统，从而提升动力系统的

整体动态响应、减少负荷瞬变对氢燃料电池造成的冲击、延长氢燃料电池的寿命。

1.

混合动力控制系统硬件选取

如该混合动力系统有较大的需求量，可根据氢燃料电池、锂电池和负载的特

性开发专用的DC/DC，将通讯接口、功率控制等元器件集成到DC/DC里。但如果

该混合动力系统仅小范围应用，开发专用DC/DC的成本过高，可通过本设计实现

相同的功能，主要零部件选取如下：

1.

氢燃料电池：

氢燃料电池是本混合动力系统的核心部件，需具备如下功能：

1.

具备与负载匹配的额定功率；

2.

具备输出电流、电压和功率的监测输出接口（本设计采用更加精准的外置功

率传感器）。

1.

DC/DC：

如采用稳定输出电压的DC/DC，当需求功率大于氢燃料电池输出功率时，

DC/DC的输出电压并不会下降，而锂电池电压一直低于DC/DC输出电压，导致锂

电池无法输出功率。如通过控制DC/DC输出和锂电池输出的通断来实现混合动力

输出，但这样做需要增加至少一个功率传感器和多个继电器开关，同时会使得控

制逻辑异常复杂。另外，频繁接入、切除锂电池会导致系统不断受到冲击，出现

系统电压和功率不稳定、零部件容易损坏等严重问题。因此合适的DC/DC需具备

如下功能：

1.

具备匹配氢燃料电池输出电压范围的输入电压范围；

2.

具备匹配混合动力系统母线电压的输出电压范围；

3.

具备输出电压调节功能，将输出电压调节至接近锂电池的充电电压；

4.

具备输出电流限制功能，使得燃料电池输出功率不超过额定功率；

5.

当需求功率大于输出功率时，输出电压下降，使得锂电池能够输出功率；

6.

具备功率输出控制功能或接口，从而实现燃料电池输出功率的稳定升降（本

设计采用DC/DC输出电流控制回路外接数字电位器和氢燃料电池输出母线上外接

功率控制器实现氢燃料电池系统输出功率控制）。

1.

主控制器：

为了实现一个主控制器完成对所有动力元器件和辅助元器件的控制，主控制

器需具备如下功能：

1.

具备满足控制程序大小需求的可编程ROM；

2.

具备满足控制程序运行的RAM；

3.

具备满足系统硬件控制需求的数字输入/输出端口；

4.

具备满足系统硬件控制需求的模拟输入/输出端口；

5.

具备可编程通讯接口；

6.

具备至少一个PWM控制端口；

7.

支持外接直流电源供电接口。

1.

功率控制器：

为了实现燃料电池稳定的功率升降过程，需利用功率控制器实现燃料电池输

出功率的调节控制，本设计选取数字电位器和PWM控制器作为DC/DC输出功率控

制器。

其中PWM控制器需满足如下条件：

1.

具备与燃料电池输出动力回路连接的接口，并满足电压等级需求；

2.

具备与主控制器PWM端口连接，并接受主控制器PWM输出信号控制，从而实

现氢燃料电池系统输出功率控制。

另外数字电位器需满足如下条件：

1.

与DC/DC直接连接，因此需具备一定的抗强电冲击性能；

2.

具备与主控制器数字端口连接，并接受主控制器数字输出信号控制，从而实

现DC/DC输出功率控制。

1.

功率传感器：

为了控制氢燃料电池的升降功率速度，因此需要监测氢燃料电池的实时输出

功率，需在氢燃料电池输出端或DC/DC输出端连接功率传感器，功率传感器需满

足如下要求：