CN116683773A - 一种用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,涉及燃料电池系统领域,包括:依次连接的Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构;Boost变换器拓扑结构的输入侧与燃料电池连接,Boost变换器拓扑结构的输出侧与燃料电池系统的其他关键零部件和双向全桥变换器拓扑结构的输入侧连接;双向全桥变换器拓扑结构的输出侧与动力电池连接;在燃料电池系统不同的运行状态下,Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变。本发明在兼顾燃料电池系统所需的绝缘性能以及高效率的基础上,可以对Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构的使用情况进行改变,有效克服DCDC变换器使用单一隔离型拓扑结构效率低的缺点。

Description

一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域,特别涉及一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构。
背景技术
未来大功率级燃料电池系统主要通过100kW级燃料电池系统模块多模块并联而成,通常情况下燃料电池系统在运行状态的绝缘电阻约为100kΩ,但是在多模块并联情况下该绝缘性能指标随模块数量成比例下降,使得燃料电池系统的绝缘性能大幅降低。
DCDC变换器分为隔离型DCDC变换器以及非隔离型DCDC变换器两种形式。非隔离型DCDC的电压输入范围较窄且不具有电气隔离功能,易形成地线上的环流导致安全性较差,无法保护系统中关键部件。随着燃料电池系统功率不断提升、应用范围不断扩大,对安全性要求更高,非隔离DCDC变换器上述的缺点会更加突出。由于变压器的存在,隔离型DCDC变换器的电气绝缘性能更优,但是隔离型拓扑结构的开关管数量更多且额外增加了变压器器件,开关管数量的增加和变压器的漏感显著增加了变换器的损耗,同时增加了直流母线获取回馈能量的辅助系统的能量损耗,在应用于MW级规模的燃料电池系统时会产生较高的能量损耗。
此外,DCDC变换器的控制策略通常围绕DCDC变换器拓扑结构进行设计,拓扑结构的单一通常会使得控制策略实现的功能较为单一,目前主流的升压交错并联Boost型DCDC变换器常用的控制策略为恒流-恒压控制,该控制策略不能处理未来多模块并联燃料电池系统能量多向流动发展背景下的取能需求。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,包括:依次连接的Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构;所述Boost变换器拓扑结构的输入侧与燃料电池连接,所述Boost变换器拓扑结构的输出侧与燃料电池系统的其他关键零部件和所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧连接;所述其他关键零部件包括:空压机和氢气循环泵;所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧与动力电池连接;在所述燃料电池系统不同的运行状态下,所述Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变。
可选地,其特征在于,在所述燃料电池不同的运行状态下,所述Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变,具体包括:
起动时,所述燃料电池未上电,所述动力电池经由所述双向全桥变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电,此时,所述Boost变换器拓扑结构未使用;
所述燃料电池起动完成后,所述燃料电池经由所述Boost变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电,经由所述Boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构为所述动力电池供电,此时所述Boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构同时使用。
可选地,所述Boost变换器拓扑结构包括:功率开关管Q9、电感L2、滤波电容Cf2以及二极管D9,所述电感L2的一端与所述燃料电池的正极连接,所述电感L2的另一端分别与所述功率开关管Q9的漏极以及二极管D9的正极连接,所述二极管D9的负极分别与所述滤波电容Cf2的一端、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池系统的其他关键零部件连接,所述滤波电容Cf2的另一端分别与所述功率开关管Q9的源极、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池的负极连接。
可选地,所述双向全桥变换器拓扑结构包括:左侧拓扑结构、电感L1、变压器、右侧拓扑结构以及滤波电容Cf1;所述左侧拓扑结构的输入侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧,所述右侧拓扑结构的输出侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧;
所述左侧拓扑结构的输入侧分别与所述二极管D9的负极以及所述滤波电容Cf2的另一端连接,所述左侧拓扑结构的输出测分别与所述电感L1的一端以及变压器原边线圈的另一端连接,所述电感L1的另一端与所述变压器原边线圈的一端连接;所述变压器副边线圈与所述右侧拓扑结构的输入侧连接;所述滤波电容Cf1并联在所述右侧拓扑结构的输入侧;所述动力电池并联在所述滤波电容Cf1的两侧。
可选地,所述左侧拓扑结构包括:功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4
所述功率开关管Q1的漏极分别与所述二极管D9的负极、所述滤波电容Cf2的一端、所述二极管D1的负极、所述功率开关管Q3的漏极以及所述二极管D3的负极连接,所述功率开关管Q1的源极分别与所述二极管D1的正极、所述电感L1的一端、所述功率开关管Q2的漏极以及所述二极管D2的负极连接;所述功率开关管Q2的源极分别与所述滤波电容Cf2的另一端、所述二极管D3的正极、所述功率开关管Q4的源极以及所述二极管D4的正极连接;所述功率开关管Q3的源极分别与所述二极管D3的正极、所述功率开关管Q4的漏极、所述二极管D4的负极以及所述变压器原边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
可选地,所述右侧拓扑结构包括:功率开关管Q5、功率开关管Q6、功率开关管Q7、功率开关管Q8、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电感L1、滤波电容Cf1以及变压器;
所述功率开关管Q5的漏极分别与所述二极管D5的负极、所述功率开关管Q7的漏极、所述二极管D7的负极、所述滤波电容Cf1的一端以及所述动力电池的正极连接,所述功率开关管Q5的源极分别与所述变压器副边线圈的一端、所述二极管D5的正极、所述功率开关管Q6的漏极以及所述二极管D6的负极连接;所述功率开关管Q6的源极分别与所述二极管D6的正极、所述功率开关管Q8的源极、所述二极管D8的正极、所述滤波电容Cf1的另一端以及所述动力电池的负极连接;所述功率开关管Q7的源极分别与所述二极管D7的正极、所述功率开关管Q8的漏极、所述二极管D8的负极以及所述变压器副边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
可选地,所述滤波电容Cf2侧还布设有电压传感器;所述电感L2侧布设有电流传感器。
可选地,所述功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、功率开关管Q5、功率开关管Q6、功率开关管Q7、功率开关管Q8以及功率开关管Q9处均布设有温度传感器。
可选地,所述用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构能够防止母线电压突增过快,具体包括:
当所述燃料电池系统整体起动时,所述燃料电池尚未开机,需要所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,起动采用PWM占空比递增法,优先起动所述功率开关管Q5、所述功率开关管Q6、所述功率开关管Q7以及所述功率开关管Q8
起动时监测电压传感器采集到的电压Vdc的电压变化率和电压值,当Vdc的电压变化率超过设定阈值时,降低占空比的增加速率,为了防止Vdc超压,同时设置Vdc限压保护算法,直至Vdc达到预设电压;
待Vdc电压稳定及所述燃料电池正常运行后,允许所述Boost变换器拓扑结构引入所述燃料电池产生电,所述功率开关管Q9开启的同时开启功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4
可选地,所述用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构能够根据能量流动需求设置能量传递方向,具体包括:
当所述燃料电池系统起动时,所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述右侧拓扑结构流向所述左侧拓扑结构;
当所述燃料电池系统正常运行后,所述燃料电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,此时所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述左侧拓扑结构流向所述右侧拓扑结构。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构在兼顾燃料电池系统所需的绝缘性能以及高效率的基础上,可以使得燃料电池系统的能量实现燃料电池、动力电池及燃料电池系统其他关键零部件之间的三向流动,并根据燃料电池系统的不同运行状态,对Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构的使用情况进行改变,可以有效克服DCDC变换器使用单一隔离型拓扑结构效率低的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的电路图;
图2为起动时,用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的使用情况示意图;
图3为燃料电池起动完成后,用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的使用情况示意图;
图4为用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的软起动流程图;
图5为根据能量流动需求设置能量传递方向的功能流程图;
图6为Boost拓扑结构的工作原理图;
图7为双向全桥变换器拓扑结构的工作原理图;
图8为针对Boost变换器拓扑结构的算法架构图;
图9为针对双向全桥变换器拓扑结构的算法架构图;
图10为本发明提供的故障诊断功能分类及流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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。
本发明的目的是提供一种适用于大功率燃料电池系统的、兼顾绝缘性能与高效性能的隔离型DCDC变换器拓扑结构。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,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。
本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,包括:依次连接的Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构;所述Boost变换器拓扑结构的输入侧与燃料电池连接,所述Boost变换器拓扑结构的输出侧与燃料电池系统的其他关键零部件和所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧连接;所述其他关键零部件包括:空压机和氢气循环泵;所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧与动力电池连接;在所述燃料电池系统不同的运行状态下,所述Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变。
进一步地,如图1所示,所述Boost变换器拓扑结构包括:功率开关管Q9、电感L2、滤波电容Cf2以及二极管D9,所述电感L2的一端与所述燃料电池的正极连接,所述电感L2的另一端分别与所述功率开关管Q9的漏极以及二极管D9的正极连接,所述二极管D9的负极分别与所述滤波电容Cf2的一端、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池系统的其他关键零部件连接,所述滤波电容Cf2的另一端分别与所述功率开关管Q9的源极、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池的负极连接。
进一步地,如图1所示,所述双向全桥变换器拓扑结构包括:左侧拓扑结构、电感L1、变压器、右侧拓扑结构以及滤波电容Cf1;所述左侧拓扑结构的输入侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧,所述右侧拓扑结构的输出侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧;
所述左侧拓扑结构的输入侧分别与所述二极管D9的负极以及所述滤波电容Cf2的另一端连接,所述左侧拓扑结构的输出测分别与所述电感L1的一端以及变压器原边线圈的另一端连接,所述电感L1的另一端与所述变压器原边线圈的一端连接;所述变压器副边线圈与所述右侧拓扑结构的输入侧连接;所述滤波电容Cf1并联在所述右侧拓扑结构的输入侧;所述动力电池并联在所述滤波电容Cf1的两侧。
进一步地,如图1所示,所述左侧拓扑结构包括:功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4
所述功率开关管Q1的漏极分别与所述二极管D9的负极、所述滤波电容Cf2的一端、所述二极管D1的负极、所述功率开关管Q3的漏极以及所述二极管D3的负极连接,所述功率开关管Q1的源极分别与所述二极管D1的正极、所述电感L1的一端、所述功率开关管Q2的漏极以及所述二极管D2的负极连接;所述功率开关管Q2的源极分别与所述滤波电容Cf2的另一端、所述二极管D3的正极、所述功率开关管Q4的源极以及所述二极管D4的正极连接;所述功率开关管Q3的源极分别与所述二极管D3的正极、所述功率开关管Q4的漏极、所述二极管D4的负极以及所述变压器原边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
进一步地,如图1所示,所述右侧拓扑结构包括:功率开关管Q5、功率开关管Q6、功率开关管Q7、功率开关管Q8、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电感L1、滤波电容Cf1以及变压器。
所述功率开关管Q5的漏极分别与所述二极管D5的负极、所述功率开关管Q7的漏极、所述二极管D7的负极、所述滤波电容Cf1的一端以及所述动力电池的正极连接,所述功率开关管Q5的源极分别与所述变压器副边线圈的一端、所述二极管D5的正极、所述功率开关管Q6的漏极以及所述二极管D6的负极连接;所述功率开关管Q6的源极分别与所述二极管D6的正极、所述功率开关管Q8的源极、所述二极管D8的正极、所述滤波电容Cf1的另一端以及所述动力电池的负极连接;所述功率开关管Q7的源极分别与所述二极管D7的正极、所述功率开关管Q8的漏极、所述二极管D8的负极以及所述变压器副边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
进一步地,所述滤波电容Cf2侧还布设有电压传感器,检测电压信号定义为Vdc;所述电感L2侧布设有电流传感器。功率开关管Q1-Q9处均布设有温度传感器。功率开关管Q1-Q9均为SiC Mosfet功率开关管。
各传感器采集的ADC数据后处理步骤及公式如下:
ADC标定值记录:在设备初次起动时,应记录起动后0.4s的DSP芯片ADC模块结果寄存器的数值,用于传感器信号标定。
其中,ADC.RESULT表示ADC完成一次采样的结果寄存器寄存数值。
电流传感器处理公式:
I=(AvergI-valueI)*KI
其中I为实际电流,KI为电流修正系数,AvergI为20ms内电流传感器对应的ADC采样平均值,valueI为电流传感器起动标定值。
电压传感器处理公式:
V=(AvergV-valueV)*KV
其中V为实际电压,KV为电压修正系数,AvergV为20ms内电压传感器对应的ADC采样平均值,valueV为电压传感器起动标定值。
温度传感器处理公式:
其中Rt表示NTC热敏电阻此时阻值,KT为热敏电阻修正系数,AvergT为20ms内电流传感器对应的ADC采样平均值。
其中T表示实际采样温度,Rt表示采样时的热敏电阻,R为标称阻值5000欧姆的NTC热敏电阻,T2为NTC热敏电阻5000欧姆时对应的温度298K,B值为5k热敏电阻的B值,此处取3950。
在具体实施例中,各电器件的参数如下表:
表1各电器件的参数
器件 参数
电感L1 电感值0.015mH
电感L2 电感值0.08mH
电容Cf1 电容值120μF
电容Cf2 电容值240μF
动力电池 电池输出范围650-800V
燃料电池 电池输出范围420-520V
Q1-Q9 开关频率50kHz
本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的具体使用情况分为以下两种:
如图2所示,起动时,燃料电池未上电,动力电池经由双向全桥变换器拓扑结构为燃料电池系统的其他关键零部件如空压机、氢气循环泵等供电,此时,Boost变换器拓扑结构未使用。
如图3所示,燃料电池起动完成后,燃料电池经由Boost变换器拓扑结构为燃料电池系统的其他关键零部件如空压机、氢气循环泵等供电,经由Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构为动力电池供电,此时Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构同时使用。
本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构功能实现软件具备以下功能:防止母线电压突增过快的软起动功能、根据能量流动需求设置能量传递方向的功能、设备正常运行时随负载变动的自调节功能以及故障诊断的功能。
进一步的,图4为本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构的软起动流程图,如图4所示,该DCDC变换器拓扑结构功能实现软件的防止母线电压突增过快的软起动功能具体实现步骤如下:
S11:当燃料电池发动机系统整体起动时,燃料电池尚未开机,需要动力电池侧为燃料电池系统的其他关键零部件供电,起动采用PWM占空比递增法,优先起动双向全桥变换器拓扑结构右侧四只开关管Q5、Q6、Q7、Q8
S12:起动时监测Vdc的电压变化率和电压值,当Vdc的电压变化率过快时,适当降低占空比的增加速率,为了防止Vdc超压,同时设置Vdc限压保护算法,直至Vdc达到预设电压。
S13:待Vdc电压稳定及燃料电池正常运行后,允许Boost变换器拓扑结构引入燃料电池侧产生电,Boost变换器拓扑结构中的Q9开启的同时开启开关管Q1、Q2、Q3、Q4
进一步的,图5为根据能量流动需求设置能量传递方向的功能流程图,如图5所示,具体实现步骤如下:
S21:当燃料电池系统起动时,动力电池侧为燃料电池系统的其他关键零部件供电,双向全桥变换器拓扑结构能量流动方向应从右侧拓扑结构流向左侧拓扑结构,具体实现方式是使得右侧拓扑结构的开关管相位超前于左侧拓扑结构的开关管,此超前相位角定义为外移相角,同时根据如下计算公式计算双向全桥变换器拓扑结构传递功率:
其中,k=V1/NV2,N为全桥变换器原副边匝数比,V1为变换器原边电压,V2为变换器副边电压,L为全桥变换器电感,fs为变换器开关频率,Dφ为移相角与π之比,即移相占空比。
S22:当燃料电池正常运行后,燃料电池为燃料电池系统的其他关键零部件供电,此时双向全桥变换器拓扑结构能量流动方向应从左侧拓扑结构流向右侧拓扑结构,具体实现方式是使左侧拓扑结构的开关管相位超前于右侧拓扑结构的开关管,同时根据上述计算公式计算双向全桥变换器拓扑结构传递功率。
图6为Boost拓扑结构的工作原理图,Q9与图1中的Q9对应,电感L2与图1中的电感L2对应,Vm为Boost结构的输入电压,Vout是Boost结构的输出电压,Q9驱动波形如图6所示,当给定一占空比D和开关周期Ts,在0-DTs时,开关管Q9导通,此时电感L2两侧电压与输入电压Vin大小相同,电感L2电流上升,电感L2蓄能;在DTs-Ts时,开关管Q9关闭,此时电感L2两侧电压为输出电压Vout与输入电压Vin之差,电感L2电流下降,电感L2续流。电感L2的电流变化率和电压的计算公式如下:
其中,L2是电感L2的电感量,VL2是电感L2的电压,是电感L2的电流变化率。
图7为双向全桥变换器拓扑结构的工作原理图,其中Q1-Q8与图1的Q1-Q8一一对应,电感L与图1电感L1对应,Q1与Q4驱动波形一致,Q2与Q3驱动波形一致,Q5与Q8驱动波形一致,Q6与Q7驱动波形一致,Q1和Q4与Q2和Q3,Q5和Q8与Q6和Q7驱动信号之间存在死区时间,移相时间tphase为:
tphase=DφTs/2
其中,Ts是开关周期,Dφ为移相占空比。
图7中的(a)Q1侧半桥的开关管驱动信号整体超前于Q5侧半桥的开关管驱动信号DφTs/2,图7中的(b)Q1侧半桥的开关管驱动信号整体滞后于Q5侧半桥的开关管驱动信号DφTs/2,VAB是Q1侧半桥Q1和Q2连接节点与Q3和Q4连接节点之间的电压,其值V1代表图1中Cf2两侧电压,VCD′是Q5侧半桥Q5和Q6连接节点与Q7和Q8连接节点之间电压通过变压器等效至Q1侧的电压,其中V2代表图1中Cf1两侧电压,N表示Q1侧变压器与Q5侧变压器的线圈匝数比,VL是图1全桥侧电感L1的电压波形,iL是图1全桥侧电感L1的电流波形,i1是注入Q1侧半桥的电流,当半桥处于关断态时半桥内部未形成回路,其值为0,半桥处于导通态时,此电流大小与电感电流一致,其中电感电压与电感电流变化率的计算公式如下:
VL1=VAB-VCD
其中,是电感L1的电流变化率。
进一步的,本发明提供的隔离型DCDC变换器拓扑结构功能实现软件的设备正常运行时随负载变动的自调节功能根据控制对象不同分为以下两种情况:
第一种情况是针对Boost变换器拓扑结构部分,Boost变换器拓扑结构部分应根据控制器需求控制燃料电池注入的电流,同时设置限压算法,防止Vdc超压导致空压机等部件发生烧坏,此算法的观测目标是电感L2的电流以及Vdc的电压,控制对象是开关管Q9的占空比。图8为针对Boost变换器拓扑结构的算法架构图。
第二种情况是针对双向全桥变换器拓扑结构部分,双向全桥变换器拓扑结构的传递功率、Vdc的电压值与外移相角的取值有关,防止燃料电池侧注入功率过大使得能量无法有效得传递至动力电池一侧进而使得母线电压过压导致空压机等部件烧坏,此算法的观测目标是Vdc的电压以及双向全桥变换器拓扑结构传递的功率Ptrans,控制对象是双向全桥变换器拓扑结构的外移相角。图9为针对双向全桥变换器拓扑结构的算法架构图。
其中,图8和图9中pi算法离散化的公式如下:
Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)
Kp为p参数,Ki为i参数,e(k)表示这一次采样的差值,e(k-1)表示上一次采样的差值。
进一步的,图10为故障诊断功能分类及流程图,如图10所示,本发明提供的隔离型DCDC变换器拓扑结构功能实现软件的故障诊断的功能具体分类如下:
当DCDC变换器自身发生故障时,应具备故障自检功能,防止发生安全事故,其故障自检功能包括且不限于电感电流过大的硬过流故障,检测功率开关管发生故障的驱动故障,功率器件温度不正常的高温故障以及需要重点关注的电信号的异常故障等。
其中,驱动故障的监测对象是功率开关管的故障输出信号,当功率开关管的故障输出接口发生跳变时,通过外围硬件电路中的比较器将此信号的跳变动作传递给DSP芯片,触发芯片外部中断进而触发驱动故障,此时应实现自动停机,待停机后检测功率开关管产生了何种驱动故障,待修正错误后复位重新开机。
硬过流故障的监测对象是电感L2处配置的硬过流故障跳变信号,当电流信号I大于外围硬件电路预先配置的最大电流值时,通过外围硬件电路中的比较器将产生电平跳变,同时硬件电路此信号的跳变动作传递给DSP芯片,触发芯片外部中断进而触发硬过流故障,此时应实现自动停机,待停机后排查可能导致硬过流故障的器件,待修正错误后复位重新开机。
其中,高温故障的监测对象是各功率器件处放置的温度传感器信号,当DSP芯片完成对温度传感器的信号处理,通过与预先设定的多区间阈值进行比较,判断功率器件处于何种温度状态,当达到高温状态时,应及时反馈高温信息,必要时应自动停机,防止开关管因高温发生爆炸。
重点关注的电信号异常故障的监测对象是滤波电容Cf2处放置的电压传感器检测到的电压信号Vdc。本实施例的空压机、氢气循环泵等高压器件的电压工作区间通常在500-750V之间,当Vdc<500v时,会出现欠压问题。当Vdc>750v时,会导致高压器件烧坏,因此需要重点关注该电压信号Vdc,在低压时应及时反馈欠压故障,在接近高压限值时应予以警报。
与现有技术相比:本发明具有以下有益效果:
(1)提高了变换器整体的绝缘性能,可以有效克服DCDC变换器使用非隔离型拓扑结构绝缘性能差的缺点。
(2)通过DCDC变换器拓扑结构的控制方法提高变换器的整体效率,可以有效克服DCDC变换器使用单一隔离型拓扑结构效率低的缺点。
(3)DCDC变换器拓扑结构的可遴选特性可以根据燃料电池系统的不同运行状态选用适合此状态的实施拓扑结构,丰富燃料电池DCDC的控制策略,可以处理未来燃料电池系统能量多向流动发展背景下的取能需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,包括:依次连接的Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构;所述Boost变换器拓扑结构的输入侧与燃料电池连接,所述Boost变换器拓扑结构的输出侧与燃料电池系统的其他关键零部件和所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧连接;所述其他关键零部件包括:空压机和氢气循环泵;所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧与动力电池连接;在所述燃料电池系统不同的运行状态下,所述Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,在所述燃料电池不同的运行状态下,所述Boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变,具体包括:
起动时,所述燃料电池未上电,所述动力电池经由所述双向全桥变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电,此时,所述Boost变换器拓扑结构未使用;
所述燃料电池起动完成后,所述燃料电池经由所述Boost变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电,经由所述Boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构为所述动力电池供电,此时所述Boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构同时使用。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述Boost变换器拓扑结构包括:功率开关管Q9、电感L2、滤波电容Cf2以及二极管D9,所述电感L2的一端与所述燃料电池的正极连接,所述电感L2的另一端分别与所述功率开关管Q9的漏极以及二极管D9的正极连接,所述二极管D9的负极分别与所述滤波电容Cf2的一端、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池系统的其他关键零部件连接,所述滤波电容Cf2的另一端分别与所述功率开关管Q9的源极、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池的负极连接。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述双向全桥变换器拓扑结构包括:左侧拓扑结构、电感L1、变压器、右侧拓扑结构以及滤波电容Cf1;所述左侧拓扑结构的输入侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧,所述右侧拓扑结构的输出侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧;
所述左侧拓扑结构的输入侧分别与所述二极管D9的负极以及所述滤波电容Cf2的另一端连接,所述左侧拓扑结构的输出测分别与所述电感L1的一端以及变压器原边线圈的另一端连接,所述电感L1的另一端与所述变压器原边线圈的一端连接;所述变压器副边线圈与所述右侧拓扑结构的输入侧连接;所述滤波电容Cf1并联在所述右侧拓扑结构的输入侧;所述动力电池并联在所述滤波电容Cf1的两侧。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述左侧拓扑结构包括:功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4
所述功率开关管Q1的漏极分别与所述二极管D9的负极、所述滤波电容Cf2的一端、所述二极管D1的负极、所述功率开关管Q3的漏极以及所述二极管D3的负极连接,所述功率开关管Q1的源极分别与所述二极管D1的正极、所述电感L1的一端、所述功率开关管Q2的漏极以及所述二极管D3的负极连接;所述功率开关管Q2的源极分别与所述滤波电容Cf2的另一端、所述二极管D2的正极、所述功率开关管Q4的源极以及所述二极管D4的正极连接;所述功率开关管Q3的源极分别与所述二极管D3的正极、所述功率开关管Q4的漏极、所述二极管D4的负极以及所述变压器原边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述右侧拓扑结构包括:功率开关管Q5、功率开关管Q6、功率开关管Q7、功率开关管Q8、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电感L1、滤波电容Cf1以及变压器;
所述功率开关管Q5的漏极分别与所述二极管D5的负极、所述功率开关管Q7的漏极、所述二极管D7的负极、所述滤波电容Cf1的一端以及所述动力电池的正极连接,所述功率开关管Q5的源极分别与所述变压器副边线圈的一端、所述二极管D5的正极、所述功率开关管Q6的漏极以及所述二极管D6的负极连接;所述功率开关管Q6的源极分别与所述二极管D6的正极、所述功率开关管Q8的源极、所述二极管D8的正极、所述滤波电容Cf1的另一端以及所述动力电池的负极连接;所述功率开关管Q7的源极分别与所述二极管D7的正极、所述功率开关管Q8的漏极、所述二极管D8的负极以及所述变压器副边线圈的另一端连接;所述电感的L1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述滤波电容Cf2侧还布设有电压传感器;所述电感L2侧布设有电流传感器。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、功率开关管Q5、功率开关管Q6、功率开关管Q7、功率开关管Q8以及功率开关管Q9处均布设有温度传感器。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构能够防止母线电压突增过快,具体包括:
当所述燃料电池系统整体起动时,所述燃料电池尚未开机,需要所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,起动采用PWM占空比递增法,优先起动所述功率开关管Q5、所述功率开关管Q6、所述功率开关管Q7以及所述功率开关管Q8
起动时监测电压传感器采集到的电压Vdc的电压变化率和电压值,当Vdc的电压变化率超过设定阈值时,降低占空比的增加速率,为了防止Vdc超压,同时设置Vdc限压保护算法,直至Vdc达到预设电压;
待Vdc电压稳定及所述燃料电池正常运行后,允许所述Boost变换器拓扑结构引入所述燃料电池产生电,所述功率开关管Q9开启的同时开启功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4
10.根据权利要求9所述的用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构,其特征在于,所述用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构能够根据能量流动需求设置能量传递方向,具体包括:
当所述燃料电池系统起动时,所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述右侧拓扑结构流向所述左侧拓扑结构;
当所述燃料电池系统正常运行后,所述燃料电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电,此时所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述左侧拓扑结构流向所述右侧拓扑结构。
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