CN105059133B - 一种燃料电池混合动力汽车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池混合动力汽车系统，属于B60W或B60K的分类领域，所述系统包括燃料电池组、独级升压逆变器、蓄电池组和电动机，所述燃料电池组作为独级升压逆变器的输入电源，燃料电池组作为独级升压逆变器的输入电源(Vin)，独级升压逆变器与蓄电池组连接(Bat)，最终连接到电动机上，一只原副边绕组紧耦合且原副边绕组匝数N1＜N2的耦合电感，励磁电感并联在耦合电感原边绕组两端，该燃料电池混合动力汽车系统能够降低系统成本和简化系统结构、提高系统可靠性和使用寿命。

Description

一种燃料电池混合动力汽车系统
技术领域
本发明属于新能源混合动力汽车技术领域，涉及一种燃料电池混合动力汽车系统，在国际分类表上属于B60W或B60K的分类领域。
背景技术
燃料电池用于车辆驱动，为能源问题和环境污染问题提供了一个有效的解决方案。纯燃料电池电池汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负载都由燃料电池提供，其缺点在于(1)功率大，成本高；(2)对燃料电池系统的动态性和可靠性都提出了很高的要求；(3)不能进行制动能量回收。燃料电池的特性决定了其最好运行在恒定功率区以延长其使用寿命和提高效率，然而，驱动电动机的功率是变化的，因此为了平衡这两部分功率和吸收制动回馈能量，因此目前燃料电池汽车采用的是混合驱动形式，即在燃料电池的基础上，增加一组电池或超级电容作为另一个动力源，包括“燃料电池+电池”(FC+B)、“燃料电池+超级电容”(FC+C)和“FC+B+C”的组合。FC+B系统结构图如图1所示，FC+B的组合降低了对燃料电池的功率和动态性能的要求，同时降低了成本，但增加了驱动系统的重量、体积和复杂性。燃料电池混合动力汽车的基本组成包括燃料电池堆、蓄电池组、功率变换器和牵引电动机。燃料电池作为主动力源，蓄电池作为辅助动力源，车辆需要的功率主要由燃料电池提供，蓄电池只是在启动、爬坡或加速时提供功率，制动时回收制动能量。
FC+B系统存在四种运行模式，分别如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示。模式a：正常行驶时，功率流从燃料电池流向电动机，如果蓄电池荷电量较低，燃料电池也向蓄电池提供功率；模式b：启动、爬坡或加速时，功率从燃料电池和蓄电池流向电动机，蓄电池能够提高响应时间，改善动态性能，同时保证燃料电池工作在安全高效的状态；模式c：低速行驶时，此时如果由燃料电池向电动机供电，效率很低，因此由蓄电池向电动机供电，如果蓄电池荷电量较低，燃料电池向蓄电池提供功率；模式d：下坡或制动状态，电机输出电功率给蓄电池，燃料电池只在蓄电池荷电量较低时，向蓄电池提供功率。
常规的电压源逆变器存在以下缺点：属于降压型变换电路，对于直流电压较低，需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换场合，需要一个额外的DC/DC升压式变换器；每个桥臂的上、下器件不能同时导通，由电磁干扰造成的误触发导致的直通问题是变换器可靠性的主要杀手。由于燃料电池输出电压比电动汽车动力总线电压要低，且特性比较软，即随着输出电流的增加，电压下降幅度较大，同时功率随输出电流的变化也较大。因此如果直接采用传统的电压源逆变器，直流电压一般由燃料电池输出电压决定，所以驱动电动机的恒转矩输出的转速范围决定于电池电压，进一步升速，则进入恒功率范围，车辆的加速能力将下降；另一方面，燃料电池输出电压随电流增加而降低，电动机的高速操控性能将进一步降低。因此，通常在前级增加一级升压式变换器，对直流电压进行升压调节，有效地提升车辆的操控性能；同时使用一级双向DC-DC变换器以控制蓄电池的荷电量，如图3所示。此类方法增加了系统的成本和控制复杂性，降低了变换效率，而且并没有解决上述常规电压源逆变器中存在的问题。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种能够降低系统成本和简化系统结构、提高系统可靠性和使用寿命、基于独级升压逆变器的燃料电池混合动力汽车的控制系统。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的燃料电池混合动力汽车系统，包括燃料电池组、独级升压逆变器、蓄电池组和电动机，燃料电池组作为独级升压逆变器的输入电源，独级升压逆变器与蓄电池组连接，最终连接到电动机上，其中在独级升压逆变器中，包括一只原副边绕组紧耦合的耦合电感，励磁电感并联在耦合电感原边绕组两端，耦合电感原边绕组的同名端与漏感和励磁电感的一端连接，漏感的另一端分别与阻断二极管的阴极、第二二极管的阴极、第三二极管的阳极和第一电容的一端连接，励磁电感的另一端与第四二极管的阳极相连，阻断二极管的阳极与电源正极相连，第三二极管的阴极连接到耦合电感副边绕组的一端，副边绕组的另一端分别与第四二极管的阴极和逆变桥的直流母线正端连接，第二电容与蓄电池组并联，第二电容的一端与直流母线正端相连，第二电容的另一端分别与电源负极和第二二极管的阳极连接，第一电容的另一端分别与逆变桥的直流母线负端和电感的一端相连，电感的另一端与电源负极相连，逆变桥输出连接三相电动机。
优选地，第一电容、第二电容均为有极性电容。
有益效果：本发明的优点在于：(1)传统电压源型逆变器只有一个控制变量，通过控制调制比(m)调节输出交流电压；独级升压逆变器有两个控制变量，通过调节直通占空比(D0)和调制比(m)，可以控制输出到电机的交流电压、调节蓄电池的荷电量和控制燃料电池的输出功率。需要说明的是，“直通零矢量”状态是指三相逆变桥上下开关管直通，由于在传统零矢量中注入，且直通零矢量与传统零矢量对负载的作用效果等效，因此对逆变器交流输出电压没有任何影响，调节直通零矢量作用时间，可实现逆变器输入侧直流母线电压(Vb)的可控提升，从而逆变输出期望的交流电压。(2)通过调节耦合电感匝比(N＝N2/N1)和直通零矢量的占空比(D0)，该独级升压逆变器可以提供较大的升压能力，提高并稳定母线电压，从而获得提升的逆变电压，相对于传统的增加DC-DC变换器的方案，简化了系统结构，降低了系统成本。(3)该独级升压逆变器使用“直通零矢量”状态，避免了由于电磁干扰造成的误触发导致器件损坏的问题，提高了系统可靠性。
附图说明
图1显示出“燃料电池+蓄电池”系统结构图；
图2显示出“燃料电池+蓄电池”系统的运行模式；
图3显示出带双向变换器的系统结构图；
图4显示出本发明采用独级升压逆变器的系统结构图。
具体实施方式
如附图4所示，本发明用于燃料电池混合动力汽车的独级升压逆变器控制系统，系统包括燃料电池组、独级升压逆变器、蓄电池组和电动机。燃料电池组作为独级升压逆变器的输入电源Vin，独级升压逆变器与蓄电池组连接(Bat)，最终连接到电动机上。一只原副边绕组N1、N2紧耦合且N1＜N2(匝数比N1/N2＜1)的耦合电感，其等效模型为理想变压器和励磁电感Lm的并联，再与漏感Lk串联，漏感Lk的另一端与阻断二极管D1的阴极连接，同时连接第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阳极和第一电容C1的一端，励磁电感Lm的另一端与第四二极管D4的阳极相连，阻断二极管D1的阳极与电源Vin正极相连，第三二极管D3的阴极连接到耦合电感副边绕组N2的一端，副边绕组N2的另一端与第四二极管D4的阴极相连，并与逆变桥B的直流母线正端连接，第二电容C2与蓄电池组Bat并联，其一端与直流母线正端相连，另一端与电源Vin负极相连，同时连接第二二极管D2的阳极，第一电容C1的另一端与逆变桥B的直流母线负端连接，同时与电感L的一端相连，电感L的另一端与电源Vin负极相连，逆变桥输出连接三相电动机。
本发明中独级升压逆变器由一只原副边绕组N1、N2紧耦合且N1＜N2的耦合电感、二极管D3和D4、电容C1合C2、电感L、逆变桥B组成，其中耦合电感等效模型为理想变压器和励磁电感Lm的并联，再与漏感Lk串联。该电路对逆变器直流母线电压升压控制方式利用了三相逆变桥上下开关管的直通状态，调节其作用时间，实现了逆变器输入侧直流母线电压的可控提升。在直通零矢量状态时，逆变桥直通，直流电压源Vin向耦合电感的励磁电感Lm充电；在非直通零矢量状态时，耦合电感原边绕组N1中能量感应到副边绕组N2，与输入直流电压源Vin串联，向逆变桥B直流母线供电，使得逆变器直流母线电压得到提升，从而获得提升的逆变电压；在桥臂开路时，由电容C1和C2、电感L提供闭合回路，避免直流母线上出现电压尖峰。
本发明提出的在基于独级升压逆变器的燃料电池混合动力汽车的控制系统中，有三个功率流：燃料电池组-＞电动机，燃料电池组-＞蓄电池，蓄电池-＞电动机，一旦蓄电池的荷电量过低，燃料电池组便向蓄电池充电。这三个功率流只要控制了其中两个，第三个便自动调节实现系统平衡。理想情况下，忽略漏感Lk的影响，独级升压逆变器中第二电容C2电压与输入电压Vin的关系为
以上公式也表示了蓄电池组(Bat)两端电压与燃料电池组输入电压(Vin)的关系。第二电容(C2)电压与母线电压(Vb)的关系为
Vc2＝(1-D0)Vb (2)
输入电压(Vin)与母线电压(Vb)的关系为
当系统硬件设计完成，即耦合电感的匝比(N)确定后，以上关系只与直通占空比(D0)有关。输出交流相电压峰值(Vphase)与母线电压(Vb)的关系为
因此，输出交流相电压峰值(Vphase)与燃料电池组输入电压(Vin)的关系为
输出交流相电压峰值(Vphase)与蓄电池组(Bat)两端电压的关系为
输出功率(Po)可以表达为
其中，Irms为负载电流有效值。得到流向蓄电池组的功率为
Pbat＝VinIin-Po (8)
以上关系说明可以同时控制蓄电池的荷电量和驱动电动机功率。
本发明提出的基于独级升压逆变器的燃料电池混合动力汽车系统适用于图2的四种运行模式，模式a：正常行驶时，功率流从燃料电池流向电动机，如果蓄电池荷电量较低，燃料电池也向蓄电池提供功率；模式b：启动、爬坡或加速时，功率从燃料电池和蓄电池流向电动机；模式c：低速行驶时，蓄电池向电动机供电，如果蓄电池荷电量较低，燃料电池向蓄电池提供功率；模式d：下坡或制动状态，电机输出电功率给蓄电池，燃料电池只在蓄电池荷电量较低时，向蓄电池提供功率。通过调节直通占空比(D0)和调制比(m)这两个控制变量，可以控制输出到电机的交流电压、调节蓄电池的荷电量和控制燃料电池的输出功率。
对于(a)、(b)、(c)、(d)四种模式，模式a和模式b中独级升压逆变器的运行方式类似：燃料电池输出功率由直通占空比D0控制，交流输出功率由输出电压电流决定，区别是在模式b中，交流输出功率大于输入的燃料电池输出功率，蓄电池组处于放电状态；而在模式a中，根据蓄电池的荷电量，对蓄电池进行充放电，此时燃料电池输出功率高于或低于交流输出功率。在模式c中，燃料电池组由第二二极管D2旁路，通过调节调制比(m)控制交流输出功率。在模式d中，交流输出功率回馈给蓄电池充电。在以上模式中，如果蓄电池的荷电量过低，燃料电池组将输出功率给蓄电池充电。
根据混合动力汽车不同的运行状况，由上位机通讯模块给出功率指令，系统控制模块根据燃料电池、蓄电池和交流侧输出功率上一时刻的匹配程度，计算得到燃料电池需要提供的功率，发出燃料电池功率控制信号和直通占空比D0分别给燃料电池控制模块和电机驱动模块，分别控制需要的输入输出功率；蓄电池荷电量检测模块检测蓄电池的荷电量等信息，由系统控制模块计算决定是否给蓄电池充电，通过发出燃料电池功率控制信号和直通占空比D0，控制蓄电池的充放电。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池混合动力汽车系统，其特征在于，包括燃料电池组、独级升压逆变器、蓄电池组和电动机，燃料电池组作为独级升压逆变器的输入电源(Vin)，独级升压逆变器与蓄电池组(Bat)连接，最终连接到电动机上，其中在独级升压逆变器中，包括一原副边绕组N1、N2紧耦合的耦合电感，励磁电感(Lm)并联在耦合电感原边绕组N1两端，耦合电感原边绕组N1的同名端与漏感(Lk)和励磁电感(Lm)的一端连接，漏感(Lk)的另一端分别与阻断二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阴极、第三二极管(D3)的阳极和第一电容(C1)的一端连接，励磁电感(Lm)的另一端与第四二极管(D4)的阳极相连，阻断二极管(D1)的阳极与电源(Vin)正极相连，第三二极管(D3)的阴极连接到耦合电感副边绕组N2的一端，副边绕组N2的另一端分别与第四二极管(D4)的阴极和逆变桥(B)的直流母线正端连接，第二电容(C2)与蓄电池组(Bat)并联，第二电容(C2)的一端与直流母线正端相连，第二电容(C2)的另一端分别与电源(Vin)负极和第二二极管(D2)的阳极连接，第一电容(C1)的另一端分别与逆变桥(B)的直流母线负端和电感(L)的一端相连，电感(L)的另一端与电源(Vin)负极相连，逆变桥输出连接三相电动机；在直通零矢量状态时，逆变桥直通，电源(Vin)向耦合电感的励磁电感(Lm)充电；在非直通零矢量状态时，耦合电感原边绕组N1中能量感应到副边绕组N2，与电源(Vin)串联，向逆变桥(B)直流母线供电，使得逆变器直流母线电压得到提升，从而获得提升的逆变电压；在桥臂开路时，由第一电容(C1)和第二电容(C2)、电感(L)提供闭合回路，避免直流母线上出现电压尖峰。
2.如权利要求1所述的燃料电池混合动力汽车系统，其特征在于，第一电容(C1)、第二电容(C2)均为有极性电容。
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