一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法技术

一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法，属于燃料电池汽车研发领域。针对双源电机PEMFC汽车由于取消了DC/DC转换器结构而无法精确调控PEMFC直流母线上的交流成分以实现对PEMFC内阻进行实时测试的问题。本发明专利技术提供一种低成本的基于MOSFET高速开关调控的PEMFC交流扰动信号生成方法，以使其应用于PEMFC内阻测试过程中。该交流信号扰动方法既可实现对PEMFC直流母线上的交流成分进行独立调控，无需DC/DC转换器以节约系统空间和重量，降低了调控电路的复杂性，避免了功率电路之间的相互干扰对测试系统调控性能的影响；同时又减少了对高频专用设备的使用，节约了成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法


[0001]本专利技术属于燃料电池汽车研发领域，具体涉及一种基于金氧半场效晶体管(MOSFET)高速开关的质子交换膜燃料电池(PEMFC)交流扰动信号的调控方法。

技术介绍

[0002]PEMFC通常被认为是最接近大规模商业化的燃料电池，与其他新能源汽车上应用的动力电池相比，具有功率密度高、启动快、可靠性高、低温运行等优点。因此，PEMFC在新能源汽车的应用上具有广阔的发展空间。与其他一般动力电池和传统内燃机相比，PEMFC的工作原理和发电方式发生了很大的变化。因此，在PEMFC的研发过程中，采用适用于PEMFC性能测试、分析、标定与故障诊断的技术和设备至关重要。PEMFC内阻参数体现了PEMFC的发电效率，表征着质子穿过交换膜进入阴极催化剂层的能力，其大小取决于电流密度、内部湿度和膜的温度，反映了PEMFC内部电化学反应条件、外部运行环境以及PEMFC各组件特性对PEMFC工作性能的影响。因此，开发出低成本、高精度的PEMFC内阻实时性监测系统十分必要。
[0003]PEMFC内阻作为重要的特征参数，是目前改进PEMFC工作性能，实现PEMFC在线优化控制以及故障诊断的最有效的方式之一。而在现有的PEMFC汽车的PEMFC内阻测试系统应用中，主要是通过使用连接在PEMFC和直流(DC)总线之间的DC/DC转换器或其他昂贵的专用设备产生交流信号扰动，以实现PEMFC内阻测试的，这对于PEMFC内阻测试系统开发来说既昂贵又大型，同时增加了控制电路的复杂性，功率电路之间产生的电磁干扰严重影响了PEMFC测试系统的调控性能，不利于低成本、高精度的PEMFC测试系统的商业化应用。尤其，对于基于双源电机的PEMFC汽车，取消了DC/DC转换器结构，因此需要采用新的PEMFC交流扰动信号调控方法实现PEMFC内阻测试。这对于低成本、高精度、实时性的PEMFC内阻测试系统开发具有重要的价值。

技术实现思路

[0004]针对双源电机PEMFC汽车由于取消了DC/DC转换器结构而无法精确调控PEMFC直流母线上的交流成分以实现对PEMFC内阻进行实时测试的问题。本专利技术提供一种低成本的基于MOSFET高速开关调控的PEMFC交流扰动信号生成方法，以使其应用于PEMFC内阻测试过程中。该交流信号扰动方法既可实现对PEMFC直流母线上的交流成分进行独立调控，无需DC/DC转换器以节约系统空间和重量，降低了调控电路的复杂性，避免了功率电路之间的相互干扰对测试系统调控性能的影响；同时又减少了对高频专用设备的使用，节约了成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法，基于该方法建立的PEMFC交流信号调控系统由多核微处理器DSP、高精度信号测量模块、数字信号处理模块、上位机监控模块、功率单元及驱动电路、DC9～36V低压电源模块、电阻负载单元、CAN通信模块、低压电源接口、脉冲宽度调制(PWM)和串行外设接口(SPI)组成。各个组成单元的主要功用分别为：多核微处理器DSP用于PEMFC电流信号采样、正弦交流参考信号设置、数字信号处
理的多核分时控制；高精度信号测量模块用于实时采集PEMFC直流母线上的反馈电流信号；数字信号处理模块用于对所采集的反馈电流信号进行滤波、放大、隔离以及模数(DA)转换处理；上位机监控模块具有发送交流参考信号控制命令和实时监测电流采样信号的功能；功率单元及驱动电路用于PEMFC直流母线反馈电流信号的驱动调控，主要由隔离放大器1、隔离放大器2、比较器1、比较器2、双D触发器、隔离时栅极驱动器和MOSFET组成；DC9～36V低压电源模块为多核微处理器DSP提供低压供电电源；电阻负载单元为PEMFC调控回路的负载电阻；CAN通信模块建立上位机监控模块与多核微处理器DSP的实时通讯；输出/输入(I/O)、PWM、SPI接口建立了多核微处理器DSP与其他模块的信号通讯；低压电源接口能够从DC9～36V低压电源模块为多核微处理器DSP引入低压电源供电，并为功率单元及驱动电路供电。
[0007]其中，上位机监测模块与CAN通信模块通过CAN通信信号线连接；SPI接口与高精度信号测量模块建立SPI通信信号线连接；I/O接口与功率单元及驱动电路、PWM接口与功率单元及驱动电路、PEMFC与高精度信号测量模块、高精度信号测量模块与数字信号处理模块通过信号线连接。其它部件均通过电力连接。
[0008]具体实现步骤如下：
[0009]步骤1：打开DC9～36V低压电源模块开关，通过多核微处理器DSP的供电电源接口为多核微处理器DSP引入低压电源。同时通过多核微处理器DSP的供电电源接口为功率单元及驱动电路供电；
[0010]步骤2：在上位机监控模块上设置正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和PWM输出命令，正弦交流参考信号控制命令参数包括频率f
ref
和幅值I
ref
；电流反馈信号控制命令参数包括采样速度P和采样点数N；PWM输出命令参数为PWM工作频率f
PWM
。其中，f
ref
取值范围为2Hz～1200Hz，I
ref
取值为20mA～50mA，P的取值范围为8kSPS～34kSPS，采样点数N＝1024，PWM工作频率f
PWM
的取值为8kHz～100kHz；
[0011]步骤3：上位机监控模块通过CAN通讯模块向多核微处理器DSP发送在上位机监控模块所设置的正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和PWM输出命令。多核微处理器DSP接收到上位机监控模块发送的控制命令后，发出一个频率为f
ref
、幅值为I
ref
的正弦交流参考信号V
sin
，并通过I/O端口发送给功率单元及驱动电路；并为功率电源及驱动电路提供一个工作频率为f
PWM
、占空比为50％的PWM控制信号；同时，多核微处理器DSP通过SPI接口，建立多核微处理器DSP与高精度信号测量模块的SPI通讯，设置高精度信号测量模块的采样速度为P和采样点数为N；
[0012]步骤4：功率单元及驱动电路从多核微处理器DSP的I/O接口，接收到由多核微处理器DSP发出的频率为f
ref
、幅值为I
ref
的正弦交流参考信号V
sin
，并将其通过隔离放大器1隔离、放大a＝1倍后，输入到比较器1的正向输入端。同时，用隔离放大器2对PEMFC直流母线上的反馈电流信号V
sample
隔离、放大同样的倍数a后，分为两路输出：一路输入到比较器1的负向输入端，另一路输入到比较器2的负向输入端；
[0013]步骤5：比较器1对PEMFC直流母线上的反馈电流信号V
sample
和正弦交流参考信号V
sin...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MOSFET高速开关的PEMFC交流扰动信号调控方法，其特征在于，包括以下步骤：基于PEMFC交流信号调控系统实现，所述PEMFC交流信号调控系统由多核微处理器DSP、高精度信号测量模块、数字信号处理模块、上位机监控模块、功率单元及驱动电路、DC9～36V低压电源模块、电阻负载单元、CAN通信模块、低压电源接口、脉冲宽度调制PWM和串行外设接口SPI组成；其中，上位机监测模块与CAN通信模块通过CAN通信信号线连接；SPI接口与高精度信号测量模块建立SPI通信信号线连接；I/O接口与功率单元及驱动电路、PWM接口与功率单元及驱动电路、PEMFC与高精度信号测量模块、高精度信号测量模块与数字信号处理模块通过信号线连接；其它部件均通过电力连接；PEMFC交流扰动信号调控方法具体实现步骤如下：步骤1：打开DC9～36V低压电源模块开关，通过多核微处理器DSP的供电电源接口为多核微处理器DSP引入低压电源；同时通过多核微处理器DSP的供电电源接口为功率单元及驱动电路供电；步骤2：在上位机监控模块上设置正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和PWM输出命令，正弦交流参考信号控制命令参数包括频率f
ref
和幅值I
ref
；电流反馈信号控制命令参数包括采样速度P和采样点数N；PWM输出命令参数为PWM工作频率f
PWM
；其中，f
ref
取值范围为2Hz～1200Hz，I
ref
取值为20mA～50mA，P的取值范围为8kSPS～34kSPS，采样点数N＝1024，PWM工作频率f
PWM
的取值为8kHz～100kHz；步骤3：上位机监控模块通过CAN通讯模块向多核微处理器DSP发送在上位机监控模块所设置的正弦交流参考信号控制命令、电流反馈信号控制命令和PWM输出命令；多核微处理器DSP接收到上位机监控模块发送的控制命令后，发出一个频率为f
ref
、幅值为I
ref
的正弦交流参考信号V
sin
，并通过I/O端口发送给功率单元及驱动电路；并为功率电源及驱动电路提供一个工作频率为f
PWM
、占空比为50％的PWM控制信号；同时，多核微处理器DSP通过SPI接口，建立多核微处理器DSP与高精度信号测量模块的SPI通讯，设置高精度信号测量模块的采样速度为P和采样点数为N；步骤4：功率单元及驱动电路从多核微处理器DSP的I/O接口，接收到由多核微处理器DSP发出的频率为f
ref
、幅值为I
ref
的正弦交流参考信号V
sin
，并将其通过隔离放大器1隔离、放大a＝1倍后，输入到比较器1的正向输入端；同时，用隔离放大器2对PEMFC直流母线上的反馈电流信号V
sample
隔离、放大同样的倍数a后，分为两路输出：一路输入到比较器1的负向输入端，另一路输入到比较器2的负向输入端；步骤5：比较器1对PEMFC直流母线上的反馈电流信号V
sample
和正弦交流参考信号V
sin
进行比较；当PEMFC直流母线上的反馈电流信号V
sample
小于正弦交流参考信号V

【专利技术属性】
技术研发人员：周雅夫，董启超，杨鑫荣，连静，李琳辉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：