（控制科学与工程专业论文）机器人燃料电池混合电源能量流控制系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代科技的发展，促使机器人技术得到了长足的进步，但是移动机器人的电 源问题始终是束缚其作业能力的关键因素之一。燃料电池以能量效率高、环保 等优点为机器人电源提供了一种新的解决方案，但由燃料电池输出特性较软， 若单独为机器人负载供电难以满足系统的动态需求。为了解决这一问题，本文 开展了对机器人燃料电池混合电源系统的研究，主要研究内容如下： 在分析燃料电池特性的基础上，制定了燃料电池与蓄电池、超级电容2 种辅 助电源共同组成燃料电池混合电源系统为机器人负载供电的方案，并根据机器 人负载功率需求分别对各电源的功率、容量等进行了配置和选型；通过对比直 流总线拓扑结构，提出了一种新的燃料电池混合电源级联拓扑结构，并对其工 作模式进行了研究。 基于确定的级联拓扑结构，根据机器人负载控制系统的性能要求，对双向 d c d c 变换器的m o s f e t 管、变压器以及各电容进行计算、选型，并确定系统 总体控制方案：在此基础上，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的硬件系统， 包括驱动单元设计、信号采集及处理单元设计、a d 转换单元设计、光电隔离单 元设计以及保护电路设计。 通过对机器人燃料电池混合电源系统在负载不同工作模式下供电特性的分 析，结合电源系统的4 项约束条件，提出了燃料电池混合电源系统滑模变结构 控制与p i 控制相结合的能量流切换控制策略，当系统偏差大于阈值时，利用滑 模变结构控制的快速响应特性，迅速将偏差缩小到阈值，当系统偏差小于阈值 时，则利用p i 控制实现系统的无静差控制。 论文对提出的燃料电池混合电源结构及能量流控制策略进行了仿真研究，仿 真结果表明当机器人负载工作模式变化时，燃料电池混合电源能量流控制系统 可以实现良好的能量流控制，控制效果良好。 关键词：机器人，混合电源，滑模变结构控制，p i 控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r o b o tt e c h n o l o g yh a s b e e np r o m o t e da n dh a sal o n g - t e r md e v e l o p m e n t ，b u tt h ep o w e rs y s t e mh a sa l w a y s b e e nak e yi s s u ew h i c hl i m i t st h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g y f u e lc e l li sal l e w p o w e rs u p p l ys o l u t i o n f o ri t s e n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v k o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o w e v e r ，t h ef u e lc e l li t s e l fc a n tm e e tt h er o b o ts y s t e md y n a m i cr e q u i r e m e n t t o s o l v et h i sp r o b l e m ，ar o b o t 、) r i t lf u e lc e l lh y b r i dp o w e rs y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e di n t h i st h e s i s m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sb e l o w ： o nt h eb a s i so fa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u e lc e l l ，t h i st h e s i sp r o p o s e daf u e l c e l l 、析t i la u x i l i a r yp o w e rw h i c hi n c l u d i n gb a t t e r ya n du l t r ac a p a c i t o rm o d u l e ( u c m ) a n d 、杭t l lt h er o b o tw o r kp a t t e r n sa n ds y s t e ml o a dr e q u i r e m e n td i s c u s s e dt h ep o w e r a n dt h ec a p a c i t yt h a tb a r e r ya n du c m c o n t a i n b yc o m p a r i n gt h em u t u a ld c b u s t o p o l o g y , p r o p o s e dan e wc a s c a d eb i - d i r e c t i o n a lc o n f i g u r a t i o n a n da n a l y s i st h e c o n f i g u r a t i o n sw o r kp a t t e r n s b a s eo nt h e t o p o l o g y a n dt h e s y s t e m sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h i s d i s s e r t a t i o n g i v e t h es e l e c t i o no fm o s f e t , t r a n s f o r m e r sa n d c a p a c i t o r s f o r b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e n e r , a n dd e t e r m i n et h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e mb l o c k d i a g r a m o nt h i sb a s i s ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h eh a r d w a r e 谢t ht m s 3 2 0 f 2 8 12a sa c o r ec o n t r o l l e r , w h i c hi si n c l u d i n gt h ed r i v eu n i t ，s i g n a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g u n i t ，s a m p l i n gu n i t ，i s o l a t i o nu n i ta n dt h ep r o t e c t i o nu n i t b yt h ea n a l y s i so fr o b o tw o r kp a t t e m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rp o w e rs y s t e m ， w i t l lf o u rc o n s t r a i n t s p r o p o s e dap o w e rf l o ws w i t c hs t r a t e g yw i t hs l i d i n gm o d e c o n t r o la n dp ic o n t r o l ，w h e nt h ed e v i a t i o ni sl a r g e ，u s i n gs l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r r e d u c e dt h ed e v i a t i o nt ot h et h r e s h o l dq u i c k l y , a n dw h e nt h ed e v i a t i o ni sl e s st h a nt h e t h r e s h o l dv a l e ，u s i n gp ic o n t r o l l e rr e d u c e ds t a t i ce r r o r t h i st h e s i ss i m u l a t e st h ep r o p o s e df u e lc e l lh y b r i dp o w e rf l o wc o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nr o b a tl o a dc h a n g e d ，t h es y s t e mc a l la c h i e v eg o o d p o w e rf l o wc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：f u e lc e l lr o b o t ，h y b r i dp o w e rs y s t e m ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，p ic o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：杈斌导师( 签名) 撇日期扣f z6 ，厂 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着人类科学技术水平的发展，机器人技术得到了长足的进步，因此，机器 人在我们的日常生活中得到了更为广泛的运用，如：工业【1 刀、农业【3 1 、警用【4 ，5 】、 医疗【7 】等多个领域都有现代机器人工作的身影。机器人可以按照要求完成我们期 望它完成的任务，但是大部分情况下我们希望机器人能够长时间单独进行工作， 因此，对于机器人电源的选择就显得尤其重要。若通过电缆为机器人供电，则 会在一定程度上束缚机器人的工作范围，若采用蓄电池为机器人供电则由于蓄 电池的容量较小，无法长时间为机器人提供能量。因此，机器人的电源系统的 设计已经成为制约机器人发展的关键问题，对机器人电源系统的研究也成为了 机器入研究领域的一个新课题。现在使用的机器人能量供给系统，无论从工作 范围、能量供给时间还是环保的角度出发，都始终存在一定缺陷，因此，现在 越来越多的将环保型新能源投入到了机器人的应用中，如太阳能电池、原子能、 燃料电池等1 7 9 1 。 燃料电池是一种使用氢气做为主燃料，通过将氢气与氧气燃烧产生的化学能 转化为电能的新型电池，并具有能量转换效率高、能量密度大、零排放且无须 充电等良好性能【l ，因此，燃料电池受到了广泛的关注，在美国的时代周刊更 是获得盛赞，被评为改变人类生活的十大新型技术之首l l 。燃料电池能量密度 高的突出特点，有效的解决机器人所面临的在能源供给方面的问题，为机器人 动力系统提供了一个良好的供电方案。正是由于燃料电池具有能量转换率高、 低噪音和无污染等诸多特性，对燃料电池电源的研究受到了各国的充分关注。 通过将燃料电池运用于机器人电源系统，可以实现长时间为机器人提供能 量，并将机器人从电缆的束缚中解放出来，扩大了机器人的工作范围，因此， 将燃料电池运用于机器人电源系统，为机器人电源技术的研究提供了新的设计 方案。且由于燃料电池零排放、无污染的优势，实现了先进的机器人技术与绿 色环保的燃料电池技术的有机结合，符合人类以及科学技术长远发展的共同目 标。 武汉理工大学硕士学位论文 i 2 课题研究意义 燃料电池作为一种新型环保能源，其具有诸多优秀的性能特性，如：能量转 换效率高、能量密度大、零排放无污染且无须充电等，但是，燃料电池也存在 着以下几点不足：( 1 ) 输出特性较软，当燃料电池输出电流增大时，其输出电压 的下降速率要比普通电池大得多，这将影响到机器人系统的正常工作；( 2 ) 负载 功率的波动对燃料电池的输出效率会产生影响，当机器人负载功率发生波动时， 由于燃料电池滞后的动态特性，使其无法立即实现对机器人负载的功率补给。 因此，要将燃料电池成功的运用于机器人电源系统中，必须对以上两点问题提 供良好的解决方案，否则将燃料电池运用于机器人系统也只是空谈。 作为现代机器人，需要面对各种复杂工作环境，燃料电池两大缺陷导致其无 法单独为机器人负载进行能量供给，因此，必须通过加入辅助电源系统，在机 器人负载功率发生波动时，有效的稳定燃料电池的输出电压，提高混合电源系 统的峰值功率，覆盖功率波动，提高机器人负载的机动性。辅助电源系统的引 入，使得混合电源系统具备了吸收负载回馈能量的能力，提高燃料电池混合电 源统的能源利用率，充分发挥了燃料电池混合电源系统节能、环保的优势。 可见，通过将辅助电源系统引入机器人电源系统，克服了燃料电池的两大缺 陷，另外，由于辅助电源系统的引入，混合电源系统可以吸收制动所产生的回 馈能量，进一步延长了机器人供电系统的供电时间，为机器人的长时间单独工 作提供了更好的能源保障。 燃料电池以及辅助电源系统组成的燃料电池混合电源系统实现对机器人负 载的能量供给，但是由于多个能量源的引入，使对能量流的设计与管理策略趋 于复杂，但同时也为各种优化措施提供了发挥功效的平台，只有更好的对混合 电源系统能量流控制策略进行优化设计，才能最大功效的发挥燃料电池以及辅 助电源系统各自的优势。 本文针对机器人负载在不同的工作模式下，其混合电源能量流控制技术进行 了深入研究，目的是通过在燃料电池、蓄电池以及超级电容三者之间构建新的 拓扑结构，并将p i 控制与滑模变结构控制相结合的混合控制理论应用到燃料电 池混合电源系统的能量流控制器设计之中，最终提出了机器人燃料电池混合电 源能量管理系统的控制方案。 本课题来源于国家自然科学基金课题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 现在很多国家在将燃料电池引入到机器人电源系统的研究中做出了很多努 力，并成功实现了燃料电池机器人的设计，其中日本东京的s p e e c y s 公司已经成 功研制出小型燃料电池机器人，该机器人高5 0 c m ，重4 2 公斤。该机器人的问 世很好将燃料电池机器人概念变成了现实，但是该机器人只是小型机器人，与 能够满足工业、警用等多个行业工作需求的大型机器人相比，该机器人功率较 小，单独使用燃料电池即可满足机器人负载需求。对于大功率机器人的燃料电 池混合电源系统现仍处于研究阶段。 对于燃料电池混合电源系统的能量流控制问题，国内外很多学者都对其进行 了系统的研究，w e n z h o n gg a o 【l2 】对燃料电池和超级电容的混合电源结构与燃料 电池和蓄电池的混合电源结构进行了比较，并进行了软件仿真。m a r c h e s o n im 等 1 1 3 】使用混合电源系统方案，在能量存储设备与电机驱动系统间设计了一种新结 构的转换器。m a r e im “】通过设计了一种连接燃料电池和电机控制器的新型 单向d c d c 变换器拓扑结构，达到同时对输出电压和输入电流进行控制的目的。 l i i u i lg a o l l 5 】对超级电容和蓄电池组各自的特点进行了分析，并引入辅助电源系 统，与燃料电池一同构成混合电源为负载提供能量，该方案充分利用了超级电 容以及蓄电池组的特性，提高了混合电源系统效率。m c a r p a n e t 1 6 j 通过平均能量 需求法，以蓄电池的供电效率为控制目标，对燃料电池、蓄电池和超级电容在 能量流控制中的能量配比进行合理的分配。db u n t i n 1 7 】提出了基于逻辑开关控制 的一种新的控制思路，将控制目标设定为辅助电压系统的s o c 值，起到了对辅 助电源系统良好的控制效果。w i p k e 强l 建立了由燃料电池和蓄电池组成的混合电 源系统，并利用a d v s o r 工具对能量流进行了优化设计。 国内也有很多学者对燃料电池混合电源系统进行了系统研究，并得出了许多 提高燃料电池混合电源系统效率的控制方案。冯适【l9 】建立了燃料电池和蓄电池 的混合电源，通过建立b o o s t 变换器的数学模型，对其进行模糊滑模变结构控制， 保证了燃料电池混合电源系统输出电压的稳定。胡鑫【2 u j 建立了燃料电池和超级 电容组成的混合电源系统，并对其进行了多模型设计，将燃料电池汽车在不同 工况下的工作模式分别建立了相应的模型，通过模糊规则进行模型间的切换。 谢长君【2 l j 通过对蓄电池的s o c 值进行分档处理，结合负载的功率需求建立模糊 规则表，用于区分燃料电池电动汽车的工作模式，并基于此工作模式采取不同 的能量配比方案，实现燃料电池混合电源系统的能量流管理控制。刘彬娜瞄j 将 3 武汉理工大学硕士学位论文 蓄电池和超级电容组成辅助能量源系统，并将其与单独由蓄电池组成的辅助电 源系统进行了对比，并根据系统对燃料电池混合电源能量的需求制定了燃料电 池混合电源系统的控制策略，通过m a t l a b s i m u l i n k 模块对控制策略进行了仿真 验证，钱立军【2 3 】采用神经网络控制算法，对燃料电池和蓄电池组成的混合电源 系统进行控制策略制定以及仿真分析。吴忠【z 4 】对升压d c d c 变换器使用了双环 控制方案，内环通过非线性输出反馈算法控制电感电流，外环则通过p i 控制器 对电容电压进行控制。夏建军1 2 5 j 通过建立燃料电池与蓄电池混合电源系统，通 过自适应控制对系统能量流进行管理，并设计了基于多模型的思想建立b a n g b a n g 控制与模糊p i d 控制相结合的复合控制策略。 以上已有研究，大部分都只采用了一个辅助电源，并通过建立固定的模型来 研究和实现燃料电池混合电源能量流的控制，并没有对燃料电池混合电源在不 同工况下的能量流控制进行更加细致的分类，且在引入辅助电源时，为每一个 辅助电源都配备一个独立的双向d c d c 变换器。 1 4 主要研究内容 本文基于机器人燃料电池混合电源系统，力图通过一种新型的双向d c d c 变换器拓扑结构，将燃料电池、蓄电池和超级电容三个能量源结合起来，共同 组成燃料电池混合电源系统为负载提供能量，主要研究以下几个方面： ( 1 ) 通过分析燃料电池特性，结合蓄电池以及超级电容的特性，提出了混 合电源系统级联拓扑结构设计方案。 ( 2 ) 研究了基于d s p 技术的机器人燃料电池混合电源控制系统硬件设计。 ( 3 ) 研究了在不同工作模式下机器人燃料电池混合电源系统的能量流控制 策略，通过设计滑模变结构控制与p i 控制相结合的混合控制器，实现机器人燃 料电池混合电源系统能量流控制。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章机器人燃料电池混合电源系统方案设计 本章首先确定机器人燃料电池混合电源系统的拓扑结构，并对该拓扑结构工 作模式进行了进一步分析，最后结合机器人负载，合理的对燃料电池电堆、超 级电容以及蓄电池进行配置选型。 2 1 燃料电池特性分析 燃料电池带负载后的电流一电压输出特性曲线t 2 啦7 1 如图2 1 所示。当燃料电 池输出电流变化时，其输出电压波动较大，这是由燃料电池本身的特性所决定 的。从图中可以看出，在燃料电池开始加负载的起始阶段，其输出电压u f c 下降 较快，随着负载的增加，其输出电流增大，电压持续下降，但是，燃料电池的 电压下降率比普通电池大得多，因此，燃料电池的输出电压一电流特性较软，无 法完成对复杂供电模式的支持。 图2 1 燃料电池的输出特性曲线 机器人负载具有多种工作模式，如：启动、抓举、移动、制动等。因此，在 机器人工作模式发生变化时，机器人负载对电源系统的功率需求也会随之波动， 当机器人所需功率增加时，燃料电池的输出功率也要随之增加，但由于燃料电 池输出特性较软，此时，燃料电池输出电压会快速下降，不利于对电机的驱动； 反之，当燃料电池输出电压升高时，其输出电流减小，导致燃料电池输出功率 5 武汉理工大学硕士学位论文 减小，无法满足系统实际的功率需求。可见机器人负载功率的频繁波动，与燃 料电池的输出特性是相互矛盾的。 通过上述分析，可知燃料电池不适合作为单独的驱动电源，辅助电源系统的 引入势在必行。其必要性通过以下几个方面进行分析： 1 ) 燃料电池的动态响应性能差。当机器人负载的工作模式发生变化时，其 功率需求必然随之改变，但是由于燃料电池本身动态响应能力较差，无法迅速 满足负载需要的功率差额，通过引入辅助电源系统，可以起到快速平衡负载功 率的作用，提高整个电源系统的动态性能。 2 ) 燃料电池无法吸收回馈电能。当机器人工作在轻载或者制动工作模式下 时，电机工作在发电状态，对电源系统产生回馈电能，但是由于燃料电池本身 的特性，使其无法对回馈的电能进行吸收再利用，从一定程度上造成了能量的 浪费，通过引入辅助电源系统，可以对回馈电能进行有效的吸收，提高能量的 利用率。 3 ) 燃料电池的成本。当机器人工作在重载工作模式下时，系统需要在一段 时间内输出较大功率，以满足负载的功率需求。但是，考虑到燃料电池在成本 和体积方面的问题，不可能完全依靠增加燃料电池的功率去满足负载对最大功 率的需求，因此，通过引入辅助电源系统，可以起到覆盖系统功率波动，满足 负载功率峰值需求的作用，从而降低对燃料电池的功率需求，降低燃料电池的 设计成本。 2 2 混合电源系统拓扑结构设计 综合以上分析，燃料电池虽然具备诸多优点，但是考虑到其动态性能、成本 以及本身的一些特点，燃料电池不适合单独作为驱动电源对机器人负载进行能 量供给，需在燃料电池电源系统中加入辅助电源系统，组成燃料电池混合电源 系统，共同为负载提供能量。 2 2 1 直流总线拓扑结构设计 在现阶段的燃料电池混合电源技术的研究中，越来越多的拓扑结构被引入到 了混合电源的设计中【2 8 】，其中直流总线拓扑结构得到了广泛的运用，其特点是 将燃料电池以及辅助电源通过并联的方式接入直流总线，从而达到共同为负载 提供能量的目的，如图2 - 2 所示即为直流总线拓扑结构图，如图所示，直流总线 6 武汉理工大学硕士学位论文 结构具有结构简单、易于实现等优点。 直流总线 厂d c 习d c。 d 7 1j 网。n ，、，n r 、 l j- 倒、7 超级电容 图2 2 直流总线拓扑结构图 在直流总线拓扑结构中，燃料电池通过单向d c d c 变换器接入直流总线， 该单向d c d c 变换器起到控制燃料电池输出电压、并根据负载功率需求调节变 换器输出电压的作用，起到保护燃料电池以及满足负载功率需求的作用。但是， 由于燃料电池需通过单向d c d c 交换器接入直流总线，降低了燃料电池性能。 在直流总线拓扑结构中，辅助电源( 蓄电池和超级电容) 通过各自的双向 d c d c 变换器并联接入直流总线，当机器人工作模式发生变化时，辅助电源为 机器人负载提供瞬时功率或燃料电池无法满足的缺口功率，提高机器人运行的 稳定性。并在机器人制动时，吸收系统产生的回馈电能。通过对双向d c d c 变 换器的控制，实现对辅助电源的充放电时机以及充放电电压、电流的控制，保 证辅助电源工作在一个较为理想的状态下。但是，在此拓扑结构中，由于每个 辅助电源都必须通过一个双向d c d c 变换器接入总线，降低了各辅助电源的能 量输出性能。 通过以上分析可知，由于在直流总线结构中引入了多个d c d c 变换器，导 致在能量转换期间的能量损耗增加，影响了混合电源系统的能量转换效率。 2 2 2 级联电路拓扑结构设计 提出了一种级联拓扑结构，该结构通过一个双向d c d c 变换器，将燃料电 池、蓄电池和超级电容三个电源级联在一起，拓扑结构图如图2 3 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 s 图2 3 混合电源级联拓扑结构图 如图2 3 所示，该级联拓扑结构是在隔离式双向d c d c 变换器电路拓扑结 构的基础上得到的。其中燃料电池为主能源，蓄电池和超级电容组成辅助能源 系统，三个能量源通过一个双向d c d c 变换器级联。其中串联二极管d f c 的作 用是为了防止在能量回馈时，负载的回馈电流流入燃料电池对其造成损伤。当 机器人制动时，如果瞬时充电电压过高就有可能击穿超级电容，因此，通过并 联二极管d u c ，避免瞬时电压过高给超级电容带来的危害。 双向d c d c 变换器是该级联结构中的核心部件，它不仅起到了对蓄电池的 充放电管理的作用，同时也实现了对超级电容的充放电管理，由于系统中引入 了两个辅助电源，使得混合电源系统的能量流管理控制策略更加多元化，控制 更加灵活。两个辅助电源的引入，更好的保证了机器人负载运行在不同工作模 式下的能量需求，同时也更好的实现对制动回馈能量的吸收。在该级联结构中 由于只存在一个双向d c d c 变换器，大大的提高了燃料电池混合电源系统能量 流转换效率1 2 9 】。 系统通过采用隔离式双向d c d c 设计，通过变压器的能量存储和能量传递 功能，巧妙的将蓄电池和超级电容隔离开，通过对m o s f e t 管s l 和s 2 的单独 控制，构造出了由超级电容与燃料电池，蓄电池与燃料电池两个双向d c d c 变 换器结构。实现了使用一个双向d c d c 变换器对两个辅助电源的单独控制。 在本系统中超级电容与蓄电池共同构成了辅助电源系统，虽然它们都是辅助 电源，但是其分工是不同的，其中超级电容的功率密度高，且充放电性能突出， 适合用于平衡由于机器人负载突增所产生的瞬时功率峰值，因此，超级电容主 要运用于机器人负载启动或开始由轻载转为重载的瞬时功率峰值的功率补偿。 但是由于超级电容的储能容量有限，无法实现对负载长时间的能量补偿。蓄电 8 武汉理工大学硕七学位论文 池则由于其储能高的优势，主要运用于填补当机器人长时间重载时带来的功率 缺口，正好弥补了超级电容在这方面的不足。可见，在辅助电源系统中，超级 电容和蓄电池各有分工，相互补充。通过这样的设计，可以充分利用超级电容 和蓄电池的特性，更好的满足机器人负载对功率的需求，提高机器人燃料电池 混合电源系统的能量输出性能。 2 3 工作模式分析 在机器人燃料电池混合电源系统中，级联拓扑结构将燃料电池、蓄电池以及 超级电容三者连接起来，并通过对双向d c d c 变换器的两个m o s f e t 管s l 和 s 2 的导通、关断控制，实现对蓄电池和超级电容的充放电过程的管理。本节针 对各个电源不同的工作模式，详细阐述了双向d c d c 变换器是怎样实现对燃料 电池、蓄电池以及超级电容三者之间能量控制。 2 3 1 充电模式分析 当机器人负载工作在轻载工作模式或制动工作模式下时，燃料电池或回馈能 量根据超级电容和蓄电池的s o c 值为其进行充电。 ( 1 ) 燃料电池为超级电容充电 此时维持m o s f e t 管s 2 为关断状态，并不断重复导通和关断m o s f e t 管 s l 从而实现对超级电容的充电。当m o s f e t 管s l 导通时，燃料电池与超级电容 和变压器原边组成一个回路，对超级电容充电，同时在变压器上储能：当 m o s f e t 管s l 断开后，变压器上储存的能量转移至副边通过二极管d 2 继续为超 级电容充电。通过改变m o s f e t 管s l 的占空比可调整充电电流的大小。 ( 2 ) 燃料电池为蓄电池充电 此时维持m o s f e t 管s l 为关断状态，并不断重复导通和关断m o s f e t 管 s 2 实现对蓄电池的充电。当m o s f e t 管s 2 导通时，燃料电池与变压器副边和蓄 电池组成一个回路，对蓄电池充电，同时在变压器上储能；当m o s f e t 管s 2 断开后，变压器上储存的能量转移至原边通过二极管d l 继续为蓄电池充电。通 过改变m o s f e t 管s 2 的占空比可调整充电电流的大小。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 供电模式分析 当机器人负载工作在重载工作模式下时，燃料电池无法单独满足负载的重载 功率需求，此时需由燃料电池与超级电容或蓄电池共同为机器人负载供电。 ( 1 ) 燃料电池与超级电容共同为机器人负载供电 此时维持m o s f e t 管s l 为关断状态，并不断重复导通和关断m o s f e t 管 s 2 实现超级电容与燃料电池共同供电。当m o s f e t 管s 2 导通时，超级电容与变 压器形成放电回路，并在变压器上储能；当m o s f e t 管s 2 关断后，变压器上的 能量由原边转移到副边，超级电容与变压器副边共同为负载供电。在这个过程 中燃料电池始终为负载供电。 ( 2 ) 燃料电池与蓄电池共同为负载供电 此时维持m o s f e t 管s 2 为关断状态，并不断重复导通和关断m o s f e t 管 s l 。当m o s f e t 管s l 导通时，蓄电池与变压器原边形成放电回路，并在变压器 上进行储能；当m o s f e t 管s l 关断后，变压器副边的能量转移至原边，蓄电池 与变压器原边共同为负载供电。在这个过程中燃料电池始终为负载供电。 2 4 混合电源控制系统配置与选型 2 4 1 燃料电池电堆配置 本课题中研发的机器人额定功率为5 0 0 w ，需要的峰值功率最高为7 5 0 w ， 额定工作电压为4 8 v d c ，回馈电压为4 5 v d c 。根据以上机器人动力系统性能参 数，对燃料电池电堆进行设计。 燃料电池的单片工作电压一般在0 6 v 到1 v 之间，因此，必须将燃料电池单 片进行串联，组成燃料电池电堆，才能获得所需的工作电压，满足系统所需功 率。机器人混合电源系统中燃料电池作为主能源，在对其进行配置时，需根据 机器人负载的额定功率以及最大功率需求等参数进行配置。但是，由于机器人 混合电源系统将蓄电池和超级电容作为辅助电源，他们共同为负载提供能量， 所以，在配置燃料电池电堆时，无需匹配机器人负载的最大功率需求，但是， 当机器人在轻载工作模式下时，燃料电池仍必须能够单独为负载提供能量，满 足负载的功率需求。综合以上条件，本设计将7 0 片燃料电池单片串联组成燃料 电池电堆，此时，燃料电池堆的输出电压在4 2 v - 7 0 v 之间，额定输出功率5 0 0 w 。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 超级电容配置与选型 超级电容具有充放电效率高、寿命长等优势。尤其是其良好的充放电能力能 够迅速的提高混合电源系统的输出功率，满足机器人负载的功率峰值需求，提 高混合电源系统的快速响应能力，并能很好的吸收制动所产生的再生能量，为 其进行充电。因此，超级电容决定了混合电源系统动态性能的好坏，对于超级 电容的配置是本系统设计的重要组成部分。 在对超级电容的容量进行配置时，需要考虑机器人的不同的工作模式，当机 器人在启动和由轻载转入重载工作模式时，需要超级电容向负载提供功率差额， 且在机器人启动时完全依靠超级电容，所以在对超级电容容量进行选型时，选 取机器人的启动时刻进行考虑，这样就可以同时满足机器人负载变化时的能量 需求。机器人的额定功率为5 0 0 w ，额定电流为1 0 5 a ，当机器人启动时，负载 加大，此时的电流需求为1 2 a 。启动时，机器人负载所需能量由超级电容提供， 当燃料电池成功启动之后，能量转为由燃料电池供给。因此超级电容只需在较 短的时间内为负载提供瞬时能量即可，假设超级电容需要持续提供能量的时间 为3 0 秒，故可以通过如下计算求出超级电容的容量： 机器人启动时需要的能量 w = p t ( 2 1 ) 超级电容能够提供的能量 1，、 供= 寺c 移乙一吒j ( 2 2 ) 二 在整个启动过程中，机器人启动所需能量与超级电容所能提供的能量相等， 因此可以计算出电容容量： c ：一；丝； u 一u 孟 ( 2 - 3 ) 其中，p 为机器人负载额定功率5 0 0 w ，u w o r k 为超级电容在电路中正常电压， 取2 4 v ；u m i 。为超级电容工作的最小电压，取为1 6 v ；i 为负载电流1 2 a ；t 为超 级电容需要持续提供能量的时间3 0 秒。可以计算出超级电容容量： c = 9 3 7 5 f ( 2 - 4 ) 因此在设计时，只要选取大于9 3 7 5 f 的超级电容即可。 2 4 3 蓄电池配置与选型 蓄电池作为机器人燃料电池混合电源系统的另一个辅助能源，其主要作用是 武汉理工大学硕士学位论文 当机器人负载长时间工作在重载模式下时，为机器人负载提供燃料电池无法提 供的缺口能量，与超级电容不同，蓄电池需要持续为负载提供能量。同时，蓄 电池也要吸收机器人负载制动所产生的回馈电能。因此，蓄电池性能的好坏将 直接对机器人燃料电池混合电源系统的整体性能产生影响。因此，选择哪种蓄 电池作为机器人燃料电池混合电源系统的辅助能源更好成为了本课题研究的一 个关键部分。 蓄电池的主要性能指标有蓄电池的比能量、比功率、循环寿命、快速充电性 能等【3 0 , 3 ，在对其进行选取时，需对这些指标进行综合分析。现阶段比较流行的 运用于燃料电池混合电源系统的蓄电池有以下两种：铅酸蓄电池和镍氢蓄电池。 表2 1 对铅酸蓄电池和镍氢蓄电池的各参数进行了比较： 表2 1 铅酸蓄电池与镍氢蓄电池性能比较表 铅酸蓄电池镍氢蓄电池 比能量( 1 h k g ) 3 05 0 比功率( w k g ) 1 3 01 7 0 循环寿命 4 0 0 - 6 0 0 1 0 0 0 以上 优点廉价、可靠性高能量高、寿命长 缺点比能量底充、放电效率待提高 可见，两种蓄电池均没有达到十全十美。因此，综合考虑上述蓄电池的性能 特点，并结合成本，在本系统中选用能量密度高、功率密度高的镍氢电池作为 机器人燃料电池混合电源系统的辅助能源。机器人额定功率为5 0 0 w ，额定工作 电压为4 8 v ，当机器人平稳运行时，约有1 0 5 a 的电流提供给机器人驱动系统。 配置时假设只有镍氢蓄电池一个辅助电源，且由镍氢蓄电池单独为机器人供电， 令输出电流k 1 2 a ，镍氢电池的最大连续放电电流为3 c ( c 表示镍氢蓄电池 的放电倍率，即容量为4 a h 的镍氢蓄电池，当c 为1 时，放电电流为4 a 。c 为 2 时，放电电流为8 a ) ，因此，按照f s 3 c 进行选型，本设计选用4 a h 的镍氢电 池组，输出电压采用2 4 v 。 对于镍氢电池，其单体的额定电压为1 2 v ，并预设其放电截止电压。如果截 止电压设定得过高，则镍氢电池的容量得不到充分利用，若设定得过低，则容 易导致镍氢电池过放，影响电池使用寿命，因此，本设计中将镍氢电池截止电 压设为l v 。同时，在对镍氢电池进行充电时，最好将充电电流控制在0 i c ，但 是也存在快速充电的情况，如机器人制动时，此时应将充电电流控制在1 c 以内， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 否则由于充电电流过大，可能会导致镍氢电池过热、漏液，甚至发生爆炸。 2 5 本章小结 本章首先通过分析燃料电池电压一电流特性，说明了为什么机器人燃料电池 混合电源系统需要采用辅助电源系统。之后通过对比直流总线拓扑结构和级联 拓扑结构，对机器人燃料电池混合电源系统的拓扑结构进行了总体设计，并对 基于燃料电池、蓄电池和超级电容的级联拓扑机构进行开关控制分析。在本章 的最后通过对机器人负载功率需求的分析，对燃料电池电堆进行了配置，并提 供了作为辅助电源系统的蓄电池以及超级电容的配置与选型方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章机器人燃料电池混合电源能量流控制系统硬 件设计 本章结合前章设计的级联拓扑结构，对双向d c d c 变换器各部件的参数进 行计算，并确定设计中具体选用m o s f e t 管、变压器以及各电容的型号。最后建 立以d s p 为核心控制器的控制系统，并对其中多个功能子模块进行具体电路设 计。 3 1 系统总体结构设计 本系统采用基于d s p 控制器的机器人燃料电池混合电源能量流控制，d s p 控 制器是该系统的核心单元，机器人燃料电池混合电源控制系统框图如图3 1 所示： 图3 1 机器人燃料电池混合电源能量流控制系统框图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在d s p 控制器外围还包括驱动单元、信号测量及处理单元、们转换单元等， 机器人通过外部检测，将工作模式信息实时传输给d s p 控制器，使d s p 控制器完 成实时的工作模式判定；驱动单元主要负责对m o s f e t 管s l 和s 2 进行p w m 驱动； 信号测量及处理单元主要负责实时监测燃料电池、蓄电池及超级电容的电、电 流输出值，供d s p 控制器对蓄电池以及超级电容的s o c 值进行计算，并对采集的 信号进行滤波处理；a d 转换单元负责对滤波后的信号进行数模转换，并通过光 电隔离电路传送给d s p 控制器。 3 2 双向d c d c 变换器功率器件选型 3 2 1m o s f e t 管选型 在燃料电池混合电源系统中，燃料电池电堆配置为额定输出功率5 0 0 w ，额 定电压4 8 v 的电源，因此，m o s f e t 管s l 和s 2 两端的最大电压为4 8 v ，其流 经的最大电流为1 0 5 a 。为了降低双向d c d c 变换器的工作噪声，应尽量提高 m o s f e t 管的工作频率，设计中，我们要求m o s f e t 的开关频率达到2 0 k h z 。 在对m o s f e t 管的选型中，结合漏极和源极之间最高电压为m o s f e t 管两端电 压的2 倍以上、漏极电流为m o s f e t 管流经电流3 倍以上的原则，最终选用 i r f 3 4 1 5 型m o s f e t 管，其漏极和源极之间最高电压为1 5 0 v ，常温下漏极电流 最大为4 3 a ，其t a t 硼l - 1 2 n s ，t r - 5 5 n s ，t o ( o m = 7 1 n s ，t t = 6 9 n s ，通过将这四个参数相 加乘以l o ，再求其倒数得到i r f 3 4 1 5 型m o s f e t 管的最大开关频率为4 8 k h z ， 远远满足系统的设计要求。 3 2 2 变压器选型 在本混合电源系统的级联拓扑结构中采用了隔离式双向d c d c 变换器拓扑 结构，变压器环节在电路中的主要作用如下：( 1 ) 能量的存储；( 2 ) 能量的传递。 因此，在系统中并没有对变压器线圈匝数比的要求，故选择变压器的线圈匝数 比为1 ：1 。我们可以通过其等效电感的大小实现对变压器的选型。 本拓扑结构中，可将变压器视为一个等效磁性储能电感l m ，由于在系统中， 整个级联拓扑结构中只包含一个储能电感，因此，为了能够满足系统输出连续 电流的要求，等效电感l m 所能储存的能量必须能够满足该双向d c d c 变换器 无论在升压还是降压工作模式下的需求。因此，对等效电感l m 参数的设计是否 武汉理工大学硕士学位论文 恰当，将直接影响到混合电源系统的工作能力。 通过之前对燃料电池电堆的配置，可以计算出，流过等效电感l m 的最大电 流值为5 0 0 w 4 8 v = 1 0 5 a ，在本设计中，电感电流纹波系数要求小于3 ，计算 出等效电感l m 的最大电流纹波i f i i 戤= 0 3 1 5 a ，通过式( 3 1 ) 对电感值进行计算： 厶= 半 ( 3 1 ) js lj 腿 由于在整个系统中只存在此一个等效储能电感，因此考虑其中最极端的情 况，即超级电容s o c 值最小时与燃料电池共同为机器人负载提供能量的情况。 此时，超级电容所提供的电压为u i = 1 6 v ，而负载需求电压为u 。：4 8 v ，计算出 m o s f e t 管s l 的最大占空比为d = i u i u o = 2 3 ，为采样频率，在之前在m o s f e t 管设计中已经确定，为2 0 k h z ，通过计算得到等效电感l m 的电感值最小为 1 6 9 m h ，设计中将l m 值定为2 m h 。 计算出等效电感值后，根据高频变压器的等效电感l i l l 的电感值计算公式 厶= 筹 ( 3 - 2 ) 反推出变压器的线圈匝数，完成对变压器的选型。其中为磁导率；s 为磁路的 横截面积，单位为平方米；l 为磁路长度，单位为米；n 为线圈匝数。 3 2 3 滤波电容选型 由图3 2 可知，在燃料电池混合电源系统中，一共有两个滤波电容，他们分 别针对于燃料电池以及蓄电池。根据式( 3 3 ) 对燃料电池混合电源系统的滤波 电容进行选型。 f ：c 孚( 3 3 ) 班 。 首先，对于燃料电池端电容c o 进行计算，可以假设其单位时间电压变化l v ， 即d u = l v ，机器人负载的最大电流需求为1 2 a ，即i = 1 2 a ，m o s f e t 管的导通 频率为2 0 k h z ，故d t = 5 1 0 - 5 s 。可以计算出c = 6 0 0 6 ，为了留有足够的裕量， 设计中将c o 选用1 0 0 0 f l f 电容。同理可以计算出c l 为2 0 0 a 一 ，在设计中选用 5 0 0 p ： 的电容。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 控制系统硬件设计 3 3 1d s p 控