CN106936309A - 用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，应用于燃料电池电动汽车的电压变换场合；电感L₁，功率开关Q₁，二极管D₁和电容C₂构成传统升压直流变换器；电感L₂，功率开关Q₂，二极管D₂和二极管D₃，电容C₁和C₃构成输出电压与输入电压反向的升压直流变换器；按照输入并联，输出串联的方式连接，组成宽增益输入并联、输出串联的升压直流变换器；直流变换器的电源输入端与燃料电池相连；输出端与高压直流母线相连接；各个功率器件的电压应力都相同，为输出电压的一半；输入电流纹波小于电感电流纹波，变换器具有较低的输入电流纹波。该变换器实现了较宽的电压增益，有利于延长燃料电池的使用寿命。

Description

用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种新型的宽范围输入的输入并联输出串联升压直流变换器，该升压直流变换器应用于燃料电池。

背景技术

随着社会的不断发展，全球能源危机形势和环境污染问题日益严峻。传统化石能源(石油)因为其不可再生性和带来的一系列环境污染问题，已经不能满足人类对能源的需求，寻找能够代替传统化石能源的新能源已经成为当务之急。

在新能源领域，光伏发电、风力发电和燃料电池发电具有优良的应用前景。新能源电动汽车作为新能源在交通领域中的一种应用备受关注。新能源电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车等，其中燃料电池电动汽车能够实现零排放，有较高的能量转化率。但是燃料电池输出电压低、输出电流大，而燃料电池电动汽车要求其直流母线有较高的电压等级(如400V)，因此其不能直接驱动电动汽车，需要使用升压直流变换器对其进行升压，从而与高压直流母线的电压等级相匹配。由于燃料电池输出特性较软，因此要求直流变换器能够实现宽增益。另外，为防止因输入电流纹波过大造成燃料电池的使用寿命缩短，要求所用变换器有较小的输入电流纹波。

传统的升压直流变换器结构简单，但其电压增益较低，功率器件的电压应力较大、并且输入电流纹波较大，造成增加开关损耗和降低燃料电池使用寿命的问题。

为了提高电压增益，防止燃料电池的使用寿命缩短，提高效率，需要一种具有宽电压增益、低电压应力和低输入电流纹波的升压直流变换器，使其适用于燃料电池电动汽车的电压变换场合。

发明内容

本发明提供了一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，该直流变换器输入电流纹波较小、功率器件电压应力较低、电压增益较高，详见下文描述：

一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，所述直流变换器应用于燃料电池电动汽车的电压变换场合；所述直流变换器拓扑结构如下：

电感L₁，功率开关Q₁，二极管D₁和电容C₂构成传统升压直流变换器拓扑结构；

电感L₂，功率开关Q₂，二极管D₂和二极管D₃，电容C₁和C₃构成输出电压与输入电压反向的升压直流变换器拓扑结构；

按照输入并联，输出串联的方式连接，组成宽增益输入并联、输出串联的升压直流变换器拓扑结构；

所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连；输出端与高压直流母线相连接；

各个功率器件的电压应力都相同，并且为输出电压的一半；

所述直流变换器的输入电流纹波小于电感电流纹波，所述直流变换器具有较低的输入电流纹波；

各个电容电压和直流变换器的电压增益为：

其中，U_C1、U_C2、U_C3分别为电容的电压；d为占空比；U_in为电源输入端；U_o为输出端。

其中，所述变换器的输出地和输入地电位差为一个恒定的电容电压。

本发明提供的技术方案的有益效果是：该直流变换器实现了较宽的电压增益，其所有功率器件电压应力为输出电压的一半，并且降低了输入电流纹波，有利于延长燃料电池的使用寿命；并且，该直流变换器输出地和输入地之间的电位差为恒定电容电压，而不是高频脉冲电压。因此，该升压直流变换器适用于燃料电池电动汽车。

附图说明

图1为用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器的拓扑结构示意图；

图2为S₁S₂＝10时拓扑的能量流通路径图；

图3为S₁S₂＝00时拓扑的能量流通路径图；

图4为S₁S₂＝01时拓扑的能量流通路径图；

图5为S₁S₂＝11时拓扑的能量流通路径图；

图6为占空比0<d<0.5时拓扑的重要工作波形示意图；

图7为占空比0.5≤d<1时拓扑的重要工作波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

(1)拓扑结构

本发明实施例提出如图1所示的输入并联-输出串联宽增益升压直流变换器拓扑结构。电感L₁，功率开关Q₁，二极管D₁和电容C₂构成传统升压直流变换器拓扑结构，电感L₂，功率开关Q₂，二极管D₂和D₃，电容C₁和C₃构成输出电压与输入电压反向的升压直流变换器拓扑结构，二者按照输入并联，输出串联的方式连接，组成宽增益输入并联、输出串联升压直流变换器拓扑结构。该直流变换器电源输入端与燃料电池(用U_in表示)相连；输出端与高压直流母线(用负载R表示)相连接。

(2)宽电压增益

本发明实施例所提的拓扑采用交错并联控制策略，功率开关Q₁和Q₂的占空比满足d₁＝d₂＝d，触发脉冲相位相差180°。根据功率开关Q₁和Q₂的通断情况，提出的拓扑有4种开关状态S₁S₂，分别为S₁S₂＝00,01,10,11。当0<d<0.5时，在一个开关周期T_s内拓扑存在S₁S₂＝00,01,10三种开关状态；而当0.5≤d<1时，在一个开关周期T_s内拓扑存在S₁S₂＝11,01,10三种开关状态。该拓扑处于不同开关状态时，其能量流通路径如图2、3、4、5所示，该直流变换器的主要工作波形如图6、7所示。

当0<d<0.5时，由图4可知，此时功率开关Q₂和二极管D₃开通，使得电容C₁与电容C₃并联而电压相等。忽略电感电流纹波和电容电压纹波，对电感L₁和电感L₂使用伏秒平衡可得如下稳态关系：

由式(1)可得各个电容电压和变换器的电压增益为：

同理可以推得0.5≤d<1时各个电容电压和变换器的电压增益，与0<d<0.5时的情况相同。

(3)低电压应力

忽略功率开关和二极管的导通压降，由图3、4可得，当功率开关Q₁关断时，二极管D₁导通，功率开关Q₁的电压被箝位至电容C₂的电压。同理分析可得其它功率器件的电压应力，根据式(2)可得功率器件的电压应力如下：

从式(3)可知，各个功率器件的电压应力均相同，都为输出电压的一半。

(4)低输入电流纹波

当0<d<0.5时，假设两电感值相同，即L₁＝L₂＝L，根据图2、3、4、5所示拓扑的能量流通路径，可得电感电流i_L1，i_L2和输入电流i_in的纹波大小：

式中，Δi_L1与Δi_L2表示电感电流i_L1，i_L2的纹波大小(峰-峰值)；Δi_in表示输入电流i_in纹波大小(峰-峰值)。

同理可得0.5≤d<1时电感电流i_L1，i_L2和输入电流i_in纹波大小：

由式(4)和(5)可知该直流变换器的输入电流纹波小于电感电流纹波，即该直流变换器具有较低的输入电流纹波。

综上所述，本发明实施例提供的用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，具有输入电流纹波较小、功率器件电压应力较低、电压增益较高，且直流变换器输出地和输入地的电位差为一个恒定电容电压，而不是高频脉冲电压，满足了实际应用中的多种需要。

实施例2

下面以图1所示的新型输入并联-输出串联宽增益升压直流变换器拓扑、图2、3、4、5所示的拓扑能量流通路径图、以及图6、7所示的新拓扑的重要工作波形，对该直流变换器的原理进行进一步地介绍，详见下文描述：

开关状态10：功率开关Q₁导通，Q₂关断，二极管D₁和D₃关断，D₂导通，此时电感电流i_L1线性增加，i_L2线性减小，电感电流i_L2对电容C₁充电，电容C₂和C₃放电，负载能量由电容C₂和C₃提供。

开关状态00：功率开关Q₁和Q₂关断，二极管D₁和D₂导通，D₃关断，此时电感电流i_L1和i_L2线性减小，电感电流i_L2对电容C₁充电，电容C₃放电，负载能量由电源U_in、电感L₁和C₃提供。

开关状态01：功率开关Q₁关断，Q₂导通，二极管D₁和D₃导通，D₂关断，此时电感电流i_L1线性减少，电感电流i_L2线性增加，电感电流i_L1对电容C₂充电，电容C₁处于放电状态同时对电容C₃充电，负载能量由电源U_in和电感L₁提供。

开关状态11：功率开关Q₁和Q₂导通，二极管D₁和D₂关断，D₃导通，此时电感电流i_L1和i_L2线性增加，电容C₁和电容C₂放电，负载能量由电容C₁和C₂提供。

因此，通过燃料电池、电感、电容的能量按上述方式传递到输出侧高压直流母线，可以实现电压水平的极大提高，以及器件电压应力的减小。该新型拓扑拓宽了升压变换器的电压增益，降低了输入电流纹波，非常适用于燃料电池电动汽车的单向升压场合。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器应用于燃料电池电动汽车的电压变换场合；所述直流变换器拓扑结构如下：

电感L₁，功率开关Q₁，二极管D₁和电容C₂构成传统升压直流变换器拓扑结构；

电感L₂，功率开关Q₂，二极管D₂和二极管D₃，电容C₁和C₃构成输出电压与输入电压反向的升压直流变换器拓扑结构；

按照输入并联，输出串联的方式连接，组成宽增益输入并联、输出串联的升压直流变换器拓扑结构；

所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连；输出端与高压直流母线相连接；

各个功率器件的电压应力都相同，并且为输出电压的一半；

所述直流变换器的输入电流纹波小于电感电流纹波，所述直流变换器具有较低的输入电流纹波；

各个电容电压和直流变换器的电压增益为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{C1}=U_{C2}=U_{C3}=\frac{1}{1-d}{U}_{in}\\ U_o=\frac{2}{1-d}{U}_{in}\end{array}\right.$

其中，U_C1、U_C2、U_C3分别为电容的电压；d为占空比；U_in为电源输入端；U_o为输出端。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器的输出地和输入地的电位差为一个恒定电容电压。