质子交换膜燃料电池堆输出电流调节装置设计.doc
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1、质子交换膜燃料电池堆输出电流调节装置设计摘要:针对车用质子交换膜燃料电池关键部件膜电极的劣化模式,提出了一种基于2个电流调节器协同工作的燃料电池堆输出电流控制方法,采用由燃料电池主控单元根据车辆的运行工况和电池堆的运行状态,协同控制2个电流调节器的电流方向和平均电流值,实时优化调整燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比,能够有效解决膜电极高电位和电位循环的问题。质子交换膜燃料电池具有操作温度低、比能量高、无污染、启动速度快等特点,被认为是电动汽车、固定发电站等的首选能源1,除了成本因素之外,燃料电池堆的寿命是制约燃料电池发动机汽车商业化的重要影响因素2。通过质子交换膜燃料电池汽车的示范
2、运行,发现车用燃料电池堆关键部件膜电极的劣化模式主要有以下四种3:(1)频繁地启动停止引起的质子交换膜电极高电位造成催化剂碳载体的腐蚀;(2)反复加减速引起的质子交换膜电极电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化;(3)低负荷运行导致质子交换膜分解;(4)低温循环所伴随的胀缩造成质子交换膜电极机械损伤。为了解决上述劣化模式(1)和模式(2)中的膜电极高电位和膜电极电位循环的问题,本文设计了一种用于质子交换膜燃料电池堆的电流调节装置,采用在燃料电池堆与电机驱动器直流母线之间、动力电池组与电机驱动器直流母线之间分别加入电流调节器的控制方法,由燃料电池主控单元同时协同控制2个电流调节器的运行状态,根据车辆的实
3、际运行工况和燃料电池堆的实际运行状态,实时优化调整燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比,以达到使燃料电池堆关键部件膜电极单体工作电压能够平衡在最佳工作点附近的控制目标,从而缓解由于车辆频繁启停和反复加减速所引起的膜电极性能衰减,提升车用工况条件下质子交换膜燃料电池堆的工作寿命。1系统构成本文设计的质子交换膜燃料电池堆电流调节装置的系统构成如图1所示。如图1所示,质子交换膜燃料电池堆主控单元作为电流调节装置的主控制器,燃料电池主控单元根据电机驱动器的输入电流和燃料电池堆的温度、压力传感器信号,计算燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流数值,通过在燃料电池堆与电机驱动器直流母线之间加入
4、电流调节器1,在锂离子动力电池组与电机驱动器直流母线之间分别加入电流调节器2,其中,电流调节器1为单向电流调节器,其电流方向只能从燃料电池堆流向电机驱动器直流母线,电流调节器2为双向电流调节器,其电流方向可以在锂电池模组和电机驱动器直流母线之间双向变换。燃料电池主控单元的功能如下:(1)负责控制燃料电池堆、电流调节器1、电流调节器2的运行状态;(2)读取电机驱动器直流母线上的电流传感器的信号数据;(3)通过数据总线实现与单膜电压检测单元、锂电池管理系统之间的双向数据通讯功能。单膜电压检测单元负责读取质子交换膜燃料电池堆中每一个膜电极单体的电压数据,并通过数据总线上报给燃料电池主控单元。质子交换
5、膜燃料电池膜电极单体的理想输出电压计算如式(1)所示4:2硬件电路设计因篇幅所限,本文只给出装置系统框图中的电流调节器1和电流调节器2的电路原理图,如图2所示。图2中本设计采用TI公司的LM5170-Q1芯片作为双向电流控制器,并采用MICROCHIP公司的dsPIC33CH128-MP503双核数字信号控制器作为主CPU,其中LM5170-Q1芯片内部集成了采用180度交错运行方式的两相Buck-Boost转换器,单个LM5170-Q1芯片可以实现高达60A的双向电流控制功能6,LM5170-Q1芯片的DIR输入管脚用于控制高压端口HV和低压端口LV之间的电流方向,ISETD输入管脚用于设定
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- 质子 交换 燃料电池 输出 电流 调节 装置 设计