CN108306514A - 一种燃料电池的dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的DC‑DC变换器，包括4条移相全桥DC‑DC电路，移相全桥DC‑DC电路包括移相全桥DC‑DC变换电路和LC滤波电路，移相全桥DC‑DC变换电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括变压器的原边绕组和H逆变桥，H逆变桥包括两个桥臂和谐振电感；每个桥臂包括两个串联的开关管；谐振电感与原边绕组串接后，两端分别接两个桥臂的中点，副边电路的输出端接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为移相全桥DC‑DC电路输出端；4条移相全桥DC‑DC电路的输入端并接在燃料电池的输出端，4条移相全桥DC‑DC电路的输出端两两并接后串联，再与锂电池的输入端连接。本发明过4路交错隔离DC‑DC的串并联，能够实现小体积大功率输出，安全性能好，输出电流纹波较小。

Description

一种燃料电池的DC-DC变换器
[技术领域]
本发明涉及DC-DC变换器，尤其涉及一种燃料电池的DC-DC变换器。
[背景技术]
DC-DC变换器，可用于燃料电池汽车中的能量转换。燃料电池汽车中的燃料电池是将存储燃料和氧化剂化学反应直接转化为电能，其具有能量转换效率高，无噪音无污染的优点。同时，由于燃料电池随着输出电流增大，输出电压减小的特性，有着输出特性软的缺点。然而，电动汽车的电机是一个非常大的动态负载，所以通常燃料电池需要通过一个DC-DC变换器连接一个高比功率的储能设备(通常是高压锂电池)然后再接电机负载。燃料电池的DC-DC变换器需要满足大功率、小体积、良好的散热，高的动态性能。
在目前，燃料电池汽车中，电动机峰值功率能达到几十千瓦。燃料电池本身能量转换效率高，为了提高整车的能量转换效率，燃料电池DC-DC变换器的功率也相应达到几十千瓦。在大功率DC-DC变换器中，为了实现较小的体积和散热，通常会采用非隔离的拓扑。现有的大功率燃料电池DC-DC变换器大多使用非隔离Boost拓扑。采用Boost拓扑，在控制实现上简单，不配备隔离变压器，虽然能减少体积和重量。但非隔离拓扑因为原副边共地，为同一个功率回路，会带来传导干扰、安全隐患等一系列问题。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种安全性能好、输出电流纹波较小的燃料电池的DC-DC变换器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种燃料电池的DC-DC变换器，包括燃料电池、锂电池和4条相位相互错开的移相全桥DC-DC电路，移相全桥DC-DC电路包括移相全桥DC-DC变换电路和LC滤波电路，移相全桥DC-DC变换电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括变压器的原边绕组和H逆变桥，H逆变桥包括两个桥臂和谐振电感；每个桥臂包括两个串联的开关管；谐振电感与原边绕组串接后，两端分别接两个桥臂的中点，副边电路的输出端接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为移相全桥DC-DC电路输出端；4条移相全桥DC-DC电路的输入端并接在燃料电池的输出端，4条移相全桥DC-DC电路的输出端两两并接后串联，再与锂电池的输入端连接。
以上所述的燃料电池的DC-DC变换器，副边电路包括变压器的两个副边绕组和两个整流电路，每个副边绕组的输出端接对应的整流电路；两个整流电流的输出端串联后接LC滤波电路。
以上所述的燃料电池的DC-DC变换器，超前臂的上开关管与超前臂的开关管为互补导通，滞后臂的上开关管与滞后臂的下开关管为互补导通；超前臂领先于滞后臂一个移相角开通。
以上所述的燃料电池的DC-DC变换器，输出端并接的两个移相全桥DC-DC电路超前臂上开关管的开通时间的错开角为π/2；输出端非并接的两个移相全桥DC-DC电路超前臂上开关管的开通时间的错开角为π/4。
本发明的燃料电池的DC-DC变换器通过4路交错隔离DC-DC的串并联，能够实现小体积大功率输出，安全性能好，输出电流纹波较小。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例燃料电池的DC-DC变换器的电路框图。
图2是本发明实施例移相全桥DC-DC电路的原理图。
图3是本发明实施例移相全桥DC-DC变换电路的PWM控制波形图。
图4是本发明实施例4路移相全桥DC-DC电路超前臂上开关管的控制波形图。
图5是本发明实施例燃料电池的DC-DC变换器滤波电感的电流波形图。
[具体实施方式]
本发明实施例燃料电池的DC-DC变换器的结构和原理如图1至图5所示。
在图1中，DCDC1、DCDC2、DCDC3、DCDC4是4个电路组成完全一样的移相全桥DC-DC变换电路。它们的输入端全部并接在燃料电池(Fuel Cell)的输出端。DCDC1和DCDC2的输出分别经过LC滤波电路LC1和LC2后并联接在一起。同样，DCDC3和DCDC4的输出分别经过LC滤波电路LC3和LC4后并联接在一起。然后再将DCDC1、DCDC2的并联输出和DCDC3、DCDC4的并联输出串联起来。滤波电路LC1和LC2输出端的负极接滤波电路LC3和LC4输出端的正极，滤波电路LC1和LC2输出端的正极接高压锂电池(Li Battery)的正极，滤波电路LC3和LC4输出端的负极接高压锂电池负极。对于燃料电池DC-DC变换器而言，实现的是升压变换。所以4路移相全桥DC-DC变换电路原边输入并联方式，能够很好实现原边的分流，减少原边开关器件和变压器的电流应力。4路变换器的副边输出的两两并联然后串联，能将每一路DC-DC变换器副边的器件电压应力和电流应力均减小一半。
在图2所示，展示了实施例中DCDC1的具体电路拓扑，其他三路与之相同。DCDC1包括原边电路和副边电路，DCDC1的原边电路包括变压器的原边绕组和全桥逆变电路，全桥逆变电路包括4个开关管Q1、Q2、Q3、Q4和谐振电感Lr。其中二极管D1、D2、D3、D4为开关管的体二极管，电容C1、C2、C3、C4为开关管的结电容。4个开关管的PWM控制信号分别为PWM1A、PWM1B、PWM1C、PWM1D。
DCDC1的副边电路包括变压器的两个副边绕组和两个全桥整流电路，两个副边绕组的匝数、线径、材料、绕法完全一致，两个全桥整流电路由相同型号二极管D11、D12、D13、D14和D15、D16、D17、D18组成。两个副边绕组分别经过对应的全桥整流电路整流后串联。第一全桥整流电路输出端的负极接第二全桥整流电路输出端的正极。两个绕组。两路整流输出串联后的输出经过滤波电路LC1滤波。LC1滤波电路由滤波电感Lo1和滤波电容Co1组成。
DCDC1变换电路的原副边通过变压器隔离，能够整个电路的抗干扰性能和安全性。副边采用两个绕组分别经全桥整流管后串联，能够有效减小整流二极管的电压应力。
在图3所示，展示了实施例中DCDC1移相全桥4路开关管的PWM控制信号PWM1A、PWM1B、PWM1C、PWM1D发波方式。其中Q1的开关信号PWM1A与Q3的开关信号PWM1B实现带死区的互补导通，Q2的开关信号PWM1C与Q4的开关信号PWM1D实现带死区的互补导通。Q1的开关信号PWM1A与Q2的开关信号PWM1C之间存在移相占空比(移相角)D。
在图4所示，展示了实施例中DCDC1、DCDC2、DCDC3、DCDC4 4路移相全桥变换器的左上开关管(超前臂上管)的开关信号PWM1A、PWM2A、PWM3A、PWM4A的发波方式。其中PWM1A与PWM2A相位相差π/2，PWM3A与PWM4A相位相差π/2，PWM1A与PWM3A相位相差π/4。因此实现了4路发波方式互相错相，副边输出电流纹波也会相应错相。
在图5所示，展示了实施例中DCDC1、DCDC2、DCDC3、DCDC4 4路移相全桥变换器的副边电路经过滤波电感的电流波形ILo1、ILo2、ILo3、ILo4以及总的输出电流Io波形。ILo1与ILo2电流纹波相位相差π/2，ILo3与ILo4电流纹波相位相差π/2，ILo1与ILo3电流纹波相位相差π/4。因此实现了4路DCDC输出电流纹波相互错相。总的输出电流纹波频率变为单路的四倍，纹波峰峰值变为单路的四分之一。
为了能既满足高功率密度的大功率输出，又能实现隔离。本发明提供了一种串并结构的大功率燃料电池DC-DC变换器。该DC-DC变换器不仅能通过较小体积实现大功率的输出，而且每一路通过变压器实现原副边隔离，保证安全、抗干扰能力强。同时通过每一路之间的相互交错，能实现较小的输出电流纹波，提高高压锂电池的使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用4个DC-DC电路通过输出两两并联然后串联。在本发明中，DC-DC电路采用的是移相全桥拓扑。4路DC-DC电路的输入同时并联接在燃料电池的输出上。第一路和第二路的副边整流滤波后输出并联，第三路和第4路的副边整流滤波后输出并联。一二路和三4路的输出再串联，分担输出电压和输出功率。DC-DC电路的变压器原边是由4路开关管组成的移相全桥。开关管的PWM控制信号由控制器输出。DC-DC电路的变压器副边是两个绕组单独经过全桥整流进行串联，这样可以减轻整流管压降。每一个DC-DC电路拓扑只需要提供四分之一的总功率，副边整流管承受四分之一的电压，原边开关管只需要通过四分之一的总电流。通过这种并串的拓扑方式，能够很好的实现功率分担，同时也方便器件的选型和磁性元器件的设计。4路DC-DC的原边开关管的控制通过控制器可以实现全错相，在同等功率、输出电压和输出滤波器件情况下，实现输出电流纹波为无错相电路的四分之一。如果实现相同纹波，全错相电路的滤波器件能比无错相电路小很多。
本发明以上实施例的通过4路交错隔离DC-DC的串并联，能够实现小体积大功率输出，安全性能好，输出电流纹波较小。

Claims (4)

1.一种燃料电池的DC-DC变换器，包括燃料电池和锂电池，其特征在于，包括4条相位相互错开的移相全桥DC-DC电路，移相全桥DC-DC电路包括移相全桥DC-DC变换电路和LC滤波电路，移相全桥DC-DC变换电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括变压器的原边绕组和H逆变桥，H逆变桥包括两个桥臂和谐振电感；每个桥臂包括两个串联的开关管；谐振电感与原边绕组串接后，两端分别接两个桥臂的中点，副边电路的输出端接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为移相全桥DC-DC电路输出端；4条移相全桥DC-DC电路的输入端并接在燃料电池的输出端，4条移相全桥DC-DC电路的输出端两两并接后串联，再与锂电池的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的DC-DC变换器，其特征在于，副边电路包括变压器的两个副边绕组和两个整流电路，每个副边绕组的输出端接对应的整流电路；两个整流电流的输出端串联后接LC滤波电路。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的DC-DC变换器，其特征在于，超前臂的上开关管与超前臂的开关管为互补导通，滞后臂的上开关管与滞后臂的下开关管为互补导通；超前臂领先于滞后臂一个移相角开通。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的DC-DC变换器，其特征在于，输出端并接的两个移相全桥DC-DC电路超前臂上开关管的开通时间的错开角为π/2；输出端非并接的两个移相全桥DC-DC电路超前臂上开关管的开通时间的错开角为π/4。
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