CN110676835A - 一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路及方法，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。本发明实现了能够缩短放电时间，简化电路拓扑。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路及方法。
背景技术
以氢燃料电池为动力的新能源汽车中，主DC/DC变换器用于将氢电堆的能量输出到直流母线上，当系统停止工作后，电堆中存在一定量的剩余氢气(余氢)，DC/DC变换器需要将余氢反应的能量在一定时间内释放掉，以避免余氢对电堆造成损伤。
当前将电堆剩余能量(余氢)释放掉的主要方法是通过电阻放电，将余氢能量通过电阻发热释放掉。电阻放电存在下面两个缺陷：一方面，放电时间长，以500欧姆的放电电阻为例，如果放电过程中电堆电压平均值为70v，那么放掉50库伦的电量所需时间约为50/(70/500)＝357秒；另一方面，电阻发热严重，容易损坏电阻，导致放电功能失效。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路及方法，能够缩短放电时间，简化电路拓扑。
本发明实施例是这样实现的：
一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
本发明实施例电堆的余氢泄放通过DCDC系统的可控的内部损耗消耗掉，而不是通过常用的电阻发热释放掉，由于DCDC系统内部电感和开关本身具备良好的散热设计，可以支持长时间放电，避免了电阻放电发热严重的弊端；电堆的余氢泄放通过DCDC系统的可控的内部损耗消耗掉，而内部损耗的大小取决于通过器件的电流大小，大电流下，内部损耗的能量远大于常用的电阻发热损耗，放电时间可以大大缩短；电堆的余氢泄放通过DCDC系统的可控的内部损耗消耗掉，而内部损耗的大小取决于通过器件的电流大小，通过控制此电流大小，可以基本控制余氢泄放的速度和时间，使得放电的适用性大大拓宽。
附图说明
图1是本发明实施例中用于氢燃料电池系统的主动放电电路拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明用于氢燃料电池余氢能量的释放，主要通过DC/DC变换器内部能量损耗，达到能量泄放的目的；本发明包括：
(1)DC/DC变换器拓扑主要由多路升压BOOST组成；
(2)DC/DC变换器拓扑多路BOOST中至少有一路存在上下两个可控开关管；
(3)DC/DC变换器接收电堆系统控制器发送的主动放电指令，控制IGBT开关，使多路输入中的其中几路(至少一路)工作在升压模式，另外几路(至少一路)工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变，同时控制各路输入的电感电流，使得能量损耗在电感、IGBT开关(可控开关管)和其它部件上。由于DC/DC变换器本身针对电感和IGBT模块进行了针对性的散热设计，使得散热不会成为余氢释放的一个难题，另外，IGBT开关和电感可以承受很大的电流，而系统损耗与电感电流和开关电流成正比，通过提高流经电感和开关管的电流，可以使得系统损耗大幅提高，进而使得放电时间大大缩短。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
如图1所示，一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容Cin和输出端电容Cout，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管(IGBT开关)，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。维持稳定的电压是为了保证输入输出电压不会进入过压保护。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。一般是5倍左右。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。电流环和电压环是软件控制算法的一部分，最终通过PWM来执行。
一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。维持稳定的电压是为了保证输入输出电压不会进入过压保护。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。电流环和电压环是软件控制算法的一部分，最终通过PWM来执行。
图1中，该拓扑有四路并联输入，每路包括一个电感和二个IGBT开关(包括反并二极管)，在主动放电功能中，选择其中两路(例如L1和L2支路)工作在升压模式(下管Q1_D和Q2_D以PWM方式工作，上管Q1_U和Q2_U断开)，另外两路(例如L3和L4支路)工作在降压模式(上管Q3_U和Q4_U以PWM方式工作，下管Q3_D和Q4_D断开)，并使Cout电压(Vout)维持在Cin电压(Vin)的5倍左右，但不超过Cout的最大极限电压。
示例拓扑只是本发明的一个特例，其适用范围不局限于四路并联输入，对多路输入(至少2路输入)的系统均适用，本发明不要求多路输入的每路均包含上下两个开关管，只需至少一路具备两个可控开关管即可。
本发明还包括多个电流环控制，用于控制每个支路的电流大小；以及一个电压环控制，用于控制输出电容Cout上的电压。
氢燃料电池余氢的泄放电流取决于电感上电阻的损耗、IGBT开关损耗以及其他部件的损耗，其损耗大小与流经器件的电流大小成正比。
本发明的实施例中，本发明描述的主动放电电路及方法，可以将余氢能量在短时间内释放到接近零，且不依赖系统除DC/DC外的其他部件。
本发明的实施例中，DC/DC变换器拓扑多路BOOST中至少有一路存在上下两个可控开关管，其中上管用于BUCK降压模式控制，使得电流可以从输出流向输入，进而保证输出电压稳定；本发明包含多个电流环控制，用于控制每个支路的电流大小；通过对支路电流大小的控制，使得电感和开关管的损耗基本可控，进而使得电堆的泄放电流可控；本发明包含一个电压环控制，用于控制输出电容Cout上的电压大小；通过对输出电压的控制，可以使得系统工作在可控范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，其特征在于，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，其特征在于：所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
5.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电电路，其特征在于：还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
6.一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，氢燃料电池系统具有电堆，电堆的负输出端接地，其特征在于，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
7.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，其特征在于：所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
8.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
9.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
10.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池系统的主动放电方法，其特征在于：还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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