CN110228376B - 氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统，该充电系统包括：顺次连接的燃料电池电堆、逆变升压模块、高频整流电路、降压式变换电路和HV电池。该控制系统包括：数字处理器；数字处理器通过输入电压反馈模块、输入电流反馈模块与燃料电池电堆的输出端连接。数字处理器通过逆变驱动模块与逆变升压模块连接。数字处理器通过BUCK驱动模块与降压式变换电路连接。数字处理器通过输出电压反馈模块、输出电流反馈模块与HV电池的输入端连接。数字处理器接入汽车CAN网络。本发明的氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统，根据燃料电池的输入电压进行自适应调节，对输出电能进行恒压、恒流控制，具有良好的动态响应特性，满足燃料汽车动力源的需求。

Description

氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统。
背景技术
为应对日益紧张的石油短缺、日益严重的空气污染以及愈加严格的排放法规，国家重点支持发展氢能源，氢燃料汽车将成为国内未来重点发展方向之一。
与传统汽车一样，氢燃料电池汽车也必须具有很强的机动性，以便对不同的路况及时做出相应的反应，为满足机动性的要求，氢燃料电池汽车驱动所需功率会有较大的波动。而氢燃料电池加负载的起始阶段，电压下降较快，随着负载的增加，电流增大，电压下降，且下降的斜率远大于普通电池，故氢燃料电池的输出特性相对较软，无法满足汽车机动需求。另一方面，氢燃料电池的输出功率若波动较大，其效率会大大下降，反面影响其机动性能。因此，若以氢燃料电池作为电源直接驱动，一方面输出特性偏软，另一方面氢燃料电池的输出电压较低，驱动性能较差。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种氢燃料汽车高压充电系统，包括：顺次连接的燃料电池电堆、逆变升压模块、高频整流电路、降压式变换电路和HV电池；所述逆变升压模块，用于对所述燃料电池电堆的输出电流进行整流滤波、高频逆变；所述高频整流电路，用于对所述逆变升压模块的输出电流进行整流；所述降压式变换电路，用于对所述高频整流电路的输出电流进行恒压恒流调节；所述HV电池，用于提供恒压恒流输出进行汽车驱动。
在一种可能的设计中，所述逆变升压模块包括：顺次连接的高频滤波电路、SiC-MOSFET逆变电路和高频升压变压器；所述高频滤波电路与所述燃料电池电堆连接，用于滤波；所述SiC-MOSFET逆变电路用于将直流电转换为交流电；所述高频升压变压器与所述高频整流电路连接，用于提高输出电压。
在一种可能的设计中，所述逆变升压模块还包括箝位电路，所述箝位电路连接在所述SiC-MOSFET逆变电路和所述高频升压变压器之间。
在一种可能的设计中，所述逆变升压模块的数量为一个或多个。
第二方面，提供了一种氢燃料汽车高压充电控制系统，用于控制上述任一项所述的氢燃料汽车高压充电系统的运行，包括：数字处理器；所述数字处理器通过输入电压反馈模块、输入电流反馈模块与燃料电池电堆的输出端连接，检测输入电压和输入电流；所述数字处理器通过逆变驱动模块与逆变升压模块连接，控制所述逆变升压模块运行；所述数字处理器通过BUCK驱动模块与降压式变换电路连接，控制所述降压式变换电路运行；所述数字处理器通过输出电压反馈模块、输出电流反馈模块与HV电池的输入端连接，检测输出电压和输出电流；所述数字处理器接入汽车CAN网络。
在一种可能的设计中，所述系统还包括：用于向所述数字处理器供电的DC/DC电源控制模块。
在一种可能的设计中，所述系统还包括与所述数字处理器连接的异常信号检测保护电路。
在一种可能的设计中，所述数字处理器包括第一脉冲宽度调制模块和第二脉冲宽度调制模块，所述第一脉冲宽度调制模块与所述逆变驱动模块连接，所述第二脉冲宽度调制模块与所述BUCK驱动模块连接。
在一种可能的设计中，多个逆变升压模块推挽初级并联次级串联高频变压器架构；和/或，所述逆变升压模块功率管上管为第一脉冲宽度调制模块发出的A类驱动信号，所述逆变升压模块功率管下管为第二脉冲宽度调制模块发出的B类驱动信号。
在一种可能的设计中，所述氢燃料汽车高压充电控制系统和所述氢燃料汽车高压充电系统与燃料电池为一体式结构设计。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统，燃料电池的输入电流经逆变升压模块进行整流滤波和高频逆变，然后经高频整流电路进行整流，经降压式变换电路进行恒压恒流调节，向HV电池提供恒压恒流输出，由HV电池作为汽车驱动的动力源，可以根据来自燃料电池的输入电压进行自适应调节，对输出进行恒压、恒流控制，具有良好的动态响应特性，满足燃料汽车动力源的需求。根据氢燃料电池的输出软特性，设计了电压电池双闭环PI控制，能加快系统响应速度，提高稳态精确度，通过对逆变升压模块与BUCK电路进行调控，使流向HV电池的输出电压和电流满足汽车驾驶的使用需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供的氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统的一种电路图；
图2为本发明一个实施例提供的氢燃料汽车高压充电系统及其控制系统的另一电路图；
图3为本发明一个实施例提供的氢燃料汽车高压充电控制系统中数字处理器的结构示意图。
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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种氢燃料汽车高压充电系统，包括：顺次连接的燃料电池电堆、逆变升压模块、高频整流电路、降压式变换电路(BUCK电路)和HV电池。逆变升压模块，用于对燃料电池电堆的输出电流进行整流滤波、高频逆变。高频整流电路，用于对逆变升压模块的输出电流进行整流。降压式变换电路，用于对高频整流电路的输出电流进行恒压恒流调节。HV电池，用于提供恒压恒流输出进行汽车驱动。
以下对本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电系统的工作原理和有益效果进行说明：
使用时，燃料电池电堆作为输入源，经逆变升压模块进行整流滤波和高频逆变，然后经高频整流电路进行整流，经降压式变换电路进行恒压恒流调节，向HV电池提供恒压恒流输出，由HV电池作为汽车驱动的动力源。
可见，本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电装置，通过上述过程，可以根据来自燃料电池的输入电压进行自适应调节，对输出进行恒压、恒流控制，具有良好的动态响应特性，实现燃料汽车动力源的需求。
其中，逆变升压模块包括：顺次连接的高频滤波电路、SiC-MOSFET逆变电路和高频升压变压器；高频滤波电路与燃料电池电堆连接，用于滤波；SiC-MOSFET逆变电路用于将直流电转换为交流电；高频升压变压器与高频整流电路连接，用于提高输出电压。
进一步地，逆变升压模块还包括箝位电路，箝位电路连接在SiC-MOSFET逆变电路和高频升压变压器之间。箝位电路进行开关损耗回收，通过设置箝位电路，抑制了开关管的电压尖峰，同时也抑制了推挽电路固有的直流偏磁现象。
其中，通过采用SiC-MOSFET逆变电路，SiC-MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率。且由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性，可长期高负荷工作，功率密度高，效率高，过载能力强，输入电流波纹小，输出电压波纹小等优点。
BUCK电路可以适用于氢燃料电池汽车低压输入大功率的直流变换场合，提高驱动稳定性。
可选地，高频整流电路可以为SiC高频整流电路，
可选地，逆变升压模块的数量为一个或多个。附图1中示出了逆变升压模块数量为1个时的电路连接关系图。附图2示出了逆变升压模块数量为6个时的电路连接关系示意图。如附图2所示的电路中，6个逆变升压模块推挽初级并联次级串联的高频电压器结构。
第二方面，提供了一种氢燃料汽车高压充电控制系统，用于控制上述任一项的氢燃料汽车高压充电系统的运行，包括：数字处理器。数字处理器通过输入电压反馈模块、输入电流反馈模块与燃料电池电堆的输出端连接，检测输入电压和输入电流。数字处理器通过逆变驱动模块与逆变升压模块连接，控制逆变升压模块运行。数字处理器通过BUCK驱动模块与降压式变换电路连接，降压式变换电路运行。数字处理器通过输出电压反馈模块、输出电流反馈模块与HV电池的输入端连接，检测输出电压和输出电流。数字处理器接入汽车CAN网络。
以下对本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电控制系统的工作原理以及有益效果进行说明：
数字处理器通过汽车CAN网络获取汽车运行所需的HV电池电压和电流数据。数字处理器获取输入电流和输入电压，根据输入电流和输入电压调控逆变升压模块和降压式变换电路的运行，调整两者的运行参数等，使流向HV电池的输出电压和输出电流符合使用需求。且通过对输出电压和输出电流进行检测，根据检测结果对运行参数进行调整，形成闭环反馈调节过程，提高控制精度。
基于氢燃料电池输出电压范围宽，负载变化时电压波动大，相应速度慢，输出电能无法直接应用等缺点，本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电控制系统，根据氢燃料电池的输出软特性，设计了电压电池双闭环PI控制，能加快系统响应速度，提高稳态精确度，通过对逆变升压模块与BUCK电路进行调控，使流向HV电池的输出电压和电流满足汽车驾驶的使用需求。
示例地，当燃料电池输出电压较低(15VDC)，而后级BUCK电路能提供稳定的直流可调高电压(250-800VDC)。
作为一种示例，数字处理器的内部构造可以参见附图3。
可以理解的是，本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电控制系统还包括：用于向数字处理器供电的DC/DC电源控制模块，以保障数字处理器的正常工作。
参见附图1和附图2，数字处理器包括第一脉冲宽度调制模块PWMA和第二脉冲宽度调制模块PWMB，第一脉冲宽度调制模块PWMA与逆变驱动模块连接，第二脉冲宽度调制模块PWMB与BUCK驱动模块连接。
更进一步地的，第一脉冲宽度调制模块PWMA通过SiC-MOSFET逆变驱动模块与逆变升压模块中的SiC-MOSFET逆变电路连接。
可选地，多个逆变升压模块推挽初级并联次级串联高频变压器架构。如附图2所示，初级输入并联六组SiC-MOSFET逆变升压模块，次级输出串联六组SiC-MOSFET逆变升压模块。为了解决多组SiC-MOSFET逆变升压模块不同步问题，多组MOSFET功率管全部同步，驱动信号统一，逆变升压模块功率管上管为第一脉冲宽度调制模块发出的A类驱动信号，逆变升压模块功率管下管为第二脉冲宽度调制模块发出的B类驱动信号。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料汽车高压充电控制系统还包括与数字处理器连接的异常信号检测保护电路，在开关电源输出量超出保护电路的设定值时，保护电路的反馈信号令DSP处理器关闭PWM波信号输出，使该氢燃料汽车高压充电系统停止工作。
参见附图1和附图2，氢燃料汽车高压充电控制系统中，输入电压反馈模块与数字处理器的ADC NT1端口连接，输入电流反馈模块与数字处理器的ADC NT2端口连接，输出电流反馈模块与数字处理器的ADC NT3端口连接，输出电流反馈模块与数字处理器的ADC NT4端口连接。异常信号检测保护电路与数字处理器的ADC NTC端口连接，CAN接口经CAN通信连接至汽车CAN网络，数字处理器中的第一脉冲宽度调制模块PWMA接通SiC-MOSFET逆变驱动模块，第二脉冲宽度调制模块PWMB接通BUCK驱动模块。
其中，可以利用霍尔传感器进行输入电流和输出电流的检测。
可选地，本发明实施例中，氢燃料汽车高压充电控制系统和氢燃料汽车高压充电系统与燃料电池为一体式结构设计。如此设置，体积较小，可以直接放入电堆箱体内，具有高效率高功率密度且安全性高等优点。示例地，最大功率可达8KW，最高效率为96％。
该控制系统设置有模拟和数字控制两种输入方式，模拟控制便于整机调试，数字电路由DSP数字处理器控制燃料电池与高压充电系统有几家结合，一体式组成燃料电池发电系统，该组成的燃料电池发电系统有输入过压、欠压、过流保护，输出过压、过流保护，过温保护，保证燃料电池发电安全可靠运行。
其中，氢燃料汽车高压充电控制系统基于DSP TMS320F28035 PAGT-64为核心的数字处理器电路。本发明采用DSP TMS320F28035处理器，基于ADC采样、PWM调制技术、结合比例积分PI算法对输出电压与电流控制，具有电路结构简单、响应快速、精度高的优点。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种氢燃料汽车高压充电系统，其特征在于，包括：顺次连接的燃料电池电堆、逆变升压模块、高频整流电路、降压式变换电路和HV电池；
所述逆变升压模块，用于对所述燃料电池电堆的输出电流进行整流滤波、高频逆变；
所述高频整流电路，用于对所述逆变升压模块的输出电流进行整流；
所述降压式变换电路，用于对所述高频整流电路的输出电流进行恒压恒流调节；
所述HV电池，用于提供恒压恒流输出进行汽车驱动；
所述逆变升压模块包括：顺次连接的高频滤波电路、SiC-MOSFET逆变电路和高频升压变压器；
所述高频滤波电路与所述燃料电池电堆连接，用于滤波；
所述SiC-MOSFET逆变电路用于将直流电转换为交流电；
所述高频升压变压器与所述高频整流电路连接，用于提高输出电压；
所述逆变升压模块还包括箝位电路，所述箝位电路连接在所述SiC-MOSFET逆变电路和所述高频升压变压器之间；
所述逆变升压模块包括多个，多个所述逆变升压模块推挽初级并联次级串联高频变压器架构，初级输入并联多个所述逆变升压模块，次级输出串联多个所述逆变升压模块。
2.一种氢燃料汽车高压充电控制系统，用于控制权利要求1所述的氢燃料汽车高压充电系统的运行，其特征在于，包括：数字处理器；
所述数字处理器通过输入电压反馈模块、输入电流反馈模块与燃料电池电堆的输出端连接，检测输入电压和输入电流；
所述数字处理器通过逆变驱动模块与逆变升压模块连接，控制所述逆变升压模块运行；
所述数字处理器通过BUCK驱动模块与降压式变换电路连接，控制所述降压式变换电路运行；
所述数字处理器通过输出电压反馈模块、输出电流反馈模块与HV电池的输入端连接，检测输出电压和输出电流；
所述数字处理器接入汽车CAN网络。
3.根据权利要求2所述的氢燃料汽车高压充电控制系统，其特征在于，所述系统还包括：用于向所述数字处理器供电的DC/DC电源控制模块。
4.根据权利要求2所述的氢燃料汽车高压充电控制系统，其特征在于，所述系统还包括与所述数字处理器连接的异常信号检测保护电路。
5.根据权利要求2所述的氢燃料汽车高压充电控制系统，其特征在于，所述数字处理器包括第一脉冲宽度调制模块和第二脉冲宽度调制模块，所述第一脉冲宽度调制模块与所述逆变驱动模块连接，所述第二脉冲宽度调制模块与所述BUCK驱动模块连接。
6.根据权利要求5所述的氢燃料汽车高压充电控制系统，其特征在于，多个逆变升压模块推挽初级并联次级串联高频变压器架构；
所述逆变升压模块功率管上管为第一脉冲宽度调制模块发出的A类驱动信号，所述逆变升压模块功率管下管为第二脉冲宽度调制模块发出的B类驱动信号。
7.根据权利要求2所述的氢燃料汽车高压充电控制系统，其特征在于，所述氢燃料汽车高压充电控制系统和所述氢燃料汽车高压充电系统与燃料电池为一体式结构设计。
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