CN118316316A - 直流-直流转换电路、燃料电池系统及控制方法 - Google Patents

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CN118316316A CN202410371186.5A CN202410371186A CN118316316A CN 118316316 A CN118316316 A CN 118316316A CN 202410371186 A CN202410371186 A CN 202410371186A CN 118316316 A CN118316316 A CN 118316316A
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Abstract

本申请公开了一种直流‑直流转换电路、燃料电池系统及控制方法，属于燃料电池技术领域。本申请提供的直流‑直流转换电路包括：依次连接的原边开关电路、副边整流电路和斩波降压电路；原边开关电路用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；副边整流电路用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；斩波降压电路用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。本申请提供的直流‑直流转换电路可以将燃料电池输入的宽范围电压进行直流‑直流转换，并以恒压模式输出，满足被动式负载的供电需求。

Description

直流-直流转换电路、燃料电池系统及控制方法
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种直流-直流转换电路、燃料电池系统及控制方法。
背景技术
随着现代社会的发展，对能源的需求越来越大，传统能源污染严重且不可再生，新能源更加广泛地应用到汽车等交通工具上。氢燃料电池利用氢气作为燃料，空气作为氧化剂进行化学反应转换电能，反应物为水且噪声小，真正实现零排放，对环境无污染，被视为未来最理想的能源来源。目前已有许多新能源大巴车将氢燃料电池作为全车动力源或补充能源，功率等级范围从几十千瓦到上百千瓦。由于氢燃料电池动态响应慢，外特性软，其输出电压范围较宽且偏低，一般需要通过高增益、大功率、单向隔离的直流-直流(DirectCurrent Direct Current Converter，DCDC)变换器将氢燃料电池的能量平稳地提供给负载。
相关技术中，DCDC变换器一般可以是由升压(Boost)变换器和全桥谐振变换器组成的两级变换器。Boost变换器负责在宽输入电压范围内给全桥谐振变换器提供稳定的输入，而全桥谐振变换器负责调节输出电压，实现电气隔离的电压转换。
然而，相关技术中这种恒流源类型的DCDC变换器难以满足被动式负载的供电需求。具体而言，这种DCDC变换器和氢燃料电池组成的电源是输入恒流电源，其输出功率是非线性变化的，而被动式负载(例如电阻、用电器)往往通电就以满载功率运行，在以一定的电阻值和电压满足情况下运行时，运行功率是线性变化的，与输入恒流电源的输出控制逻辑冲突，导致氢燃料电池与恒流源类型的DC-DC变换器带载被动式负载时，容易引起燃料电池瞬间输出较大功率，而导致燃料电池缺氢或损坏。可见，这种DCDC变换器和氢燃料电池组成的输入恒流电源，不适用于被动式负载场景，难以满足被动式负载的供电需求。
发明内容
本申请实施例提供一种直流-直流转换电路、燃料电池系统及控制方法，能够解决相关技术中由DCDC变换器和氢燃料电池组成的输入恒流电源，难以满足被动式负载的供电需求的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种直流-直流转换电路，包括：
依次连接的原边开关电路、副边整流电路和斩波降压电路；
原边开关电路用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；
副边整流电路用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；
斩波降压电路用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。
第二方面，本申请实施例提供了一种燃料电池系统，包括：
如第一方面所述的直流-直流转换电路、燃料电池、控制器以及被动式负载；
燃料电池与直流-直流转换电路连接，直流-直流转换电路与被动式负载连接；控制器与直流-直流转换电路连接。
第三方面，本申请实施例提供了一种对第二方面所述的燃料电池系统的控制方法，包括：
在接收到启动命令的情况下，获取预充使能信号；
根据所述预充使能信号，在预充时间段内控制所述预充模块工作；
根据所述启动命令，在预充时间段内控制所述储能式负载向所述被动式负载供电；
在所述燃料电池稳态运行后，以输入恒流模式控制所述直流-直流转换电路对所述储能式负载进行供电；
在所述储能式负载处于满电状态时，将输入恒流模式切换至恒压输出模式，以恒压输出模式控制所述直流-直流转换电路对被动式负载供电。
在本申请实施例中，直流-直流转换电路包括依次连接的原边开关电路、副边整流电路和斩波降压电路；原边开关电路用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；副边整流电路用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；斩波降压电路用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。这样，在燃料电池产生的能量进入直流-直流转换电路之后，由于直流-直流转换电路的输出电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，直流-直流转换电路能够以恒压模式按被动式负载的需求输出电流，满足了被动式负载的供电需求。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种直流-直流转换电路的示意性结构图；
图2为本申请实施例提供的另一种直流-直流转换电路的示意性结构图；
图3为本申请实施例提供的另一种直流-直流转换电路的示意性结构图；
图4为本申请实施例提供的一种燃料电池系统的示意性结构图；
图5为本申请实施例提供的一种燃料电池系统的局部结构示意图；
图6为本申请实施例提供的燃料电池系统中控制器的控制逻辑示意图；
图7为本申请实施例提供的一种燃料电池系统的控制方法的示意性流程图；
图8为本申请实施例提供的另一种燃料电池系统的控制方法的示意性流程图。
附图标记说明：
10—直流-直流转换电路；11—原边开关电路；12—副边整流电路；13—斩波降压电路；14—反馈电压电路；20—燃料电池、30—控制器；40—被动式负载；50—储能式负载；60—放电回路；70—预充模块；100—燃料电池系统；T1—第一变压器；T2—第二变压器；V1—第一控制开关；V2—第二控制开关；V3—第三控制开关；V4—第四控制开关；V5—第五控制开关；D1—第一二极管；D2—第二二极管；D3—第三二极管；D4—第四二极管；L1—第一电感；L2—第二电感；C1—第一电容；C2—第二电容；C3—第三电容；C4—第四电容；R1—放电电阻；R2—预充电阻；KA1—目标继电器；KA2—输入主继电器；KA3—输入预充继电器；Vi—输入电压信号；Vo1—输出电压信号；Vo2—并机输出电压信号；CAN—控制器局域网总线；IN+—正输入端；IN-—负输入端；OUT+—正输出端；OUT-—负输出端。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如背景技术所描述的，氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能转化为电能的发电系统，氢燃料电池动态响应慢(化学反应)、其电能输出的大小也取决于反应物的流量、浓度、温度等。氢燃料电池输出是不满足瞬间释放满载功率的，从负载变化到输出功率调整需要一定时间。
而常用的被动式负载是指不需要外部电源或控制信号就能工作的负载，例如：电阻(加热棒/片)、电容、电感等。该类电子器件无控制信号，不考虑输入源的大小时，往往通电就以满载功率运行，在以一定的电阻值运行时，电压满足情况下运行功率是线性变化的。
结合氢燃料电池和被动式负载的工作特性可以看出，氢燃料电池与恒流源类型的DC-DC变换器带载被动式负载时，容易引起燃料电池瞬间输出较大功率，而导致燃料电池缺氢或损坏。故传统的恒流源类型的DCDC变换器不适用于被动式负载的场景。
举例而言，氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电系统，其工作原理基于氢气和氧气在电极上的氧化还原反应。由于该氧化还原反应是一个化学过程，其动态响应速度相对电池或电力电子变换器来说较慢，也就是说，从负载变化到输出功率调整需要一定时间。并且，氢燃料电池的输出功率受到多个变量的影响，如反应物(氢气和氧气)的供应流量、气体的压力、以及电堆的工作温度等。
而被动式负载的特点是不具有功率调节功能，一旦通电就会按照其固有特性以最大容量消耗功率。例如电阻类负载会立即吸收与其阻值成正比的电流，而电容或电感类负载则可能根据电路条件迅速充放电，达到稳定状态时也维持一定的功率水平。
当被动式负载连接到氢燃料电池供电系统时，如果负载所需的瞬时功率远大于燃料电池当前能够安全提供的功率或者超过其动态响应范围，就可能导致燃料电池内部压力波动剧烈、反应物质耗尽过快，甚至可能因过载导致燃料电池组件损坏。因此，在设计燃料电池与负载匹配的电力系统时，通常需要采用智能控制策略，并配备适当的DC-DC变换器或其他电力管理系统，以确保燃料电池输出与实际负载需求相适应，防止出现过载情况，保护燃料电池不受损害。传统的固定比率转换的DC-DC变换器在这种情况下可能无法有效保护燃料电池系统。
其中，氢燃料电池和传统的恒流源类型的DCDC变换器可以组成输入恒流电源，无论负载电阻如何变化该类电源能够提供恒定电流的输出，其工作原理涉及负反馈控制回路，通过该负反馈控制回路提供的电流信号与内部基准电流信号通过差分放大比较，以调节电源的输出，确保输入信号和参考电流保持一致，从而达到稳定输出恒定电流的目的。
为了解决相关技术中由DCDC变换器和氢燃料电池组成的输入恒流电源，难以满足被动式负载的供电需求的问题，本申请实施例提供一种直流-直流转换电路，包括：依次连接的原边开关电路、副边整流电路和斩波降压电路；原边开关电路用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；副边整流电路用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；斩波降压电路用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号，进而，可以在燃料电池产生的能量进入直流-直流转换电路之后，直流-直流转换电路的输出电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，能够以恒压模式按被动式负载的需求输出电流，满足了被动式负载的供电需求。
另外，本申请实施例提供的直流-直流转换电路，可以先采用副边整流电路第一次滤除电压信号中的纹波电压；再采用斩波降压电路对输出电压信号进行同步整流处理，再次滤除输出电压信号中的纹波电压，通过两级滤波处理，有效抑制输出电压信号中的纹波电压，使输出电压信号中的纹波电压低于通信基站标准，进而保证燃料电池和直流-直流转换电路组成的电源满足通信基站中的负载设备的需求。
另外，本申请实施例提供的直流-直流转换电路，输入电压信号仅通过原边开关电路进行单级升压，与相关技术中通过多级升压相比，提高了升压效率，且相关器件的选型相对容易。
另外，本申请实施例提供的直流-直流转换电路，还可以通过设置并机电源(例如反馈电压电路)，拓展直流-直流转换电路的输出功率，满足大功率负载的供电需求。并且，还可以通过监控副边整流电路输出的第二电压信号，反馈至斩波降压电路，限制斩波降压电路的降压比例，保证反馈电压电路输出的并机输出电压信号的功率与斩波降压电路输出的输出电压信号的功率一致。
另外，本申请实施例提供的燃料电池系统的控制方法中，用户端控制模块优先供电，使燃料电池系统提前响应，减少出电时间。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的直流-直流转换电路、燃料电池系统及控制方法进行详细地说明。
图1为本申请实施例提供的一种直流-直流转换电路的示意性结构图。
如图1所示，本申请实施例提供的直流-直流转换电路10可以包括：依次连接的原边开关电路11、副边整流电路12和斩波降压电路13；
原边开关电路11用于对来自燃料电池的输入电压信号Vi进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；
副边整流电路12用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；
斩波降压电路13用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号Vo1。
在本申请实施例中，由燃料电池产生的输入电压信号Vi并非固定电压值，而是在较宽的电压范围内波动，本申请对输入电压信号Vi的电压范围不作具体限制，例如，输入电压信号Vi的电压范围位于50V-240V之间。
本申请实施例可以通过监控燃料电池的输入电流，确定输入电压信号Vi的升压比例，进而，原边开关电路11可以对具有较宽电压范围的输入电压信号Vi进行该升压比例的升压处理，将输入电压信号Vi统一转换为第一目标电压值的第一电压信号。
在实际应用中，第一目标电压值可以是按实际需求确定的值，本申请不作具体限制。例如，第一目标电压值为300V，第一电压信号为300V高频半幅脉冲电压。
在本申请实施例中，副边整流电路12可以对第一电压信号进行滤波处理，第一次滤除第一电压信号中的纹波电压，得到第二电压信号。
本申请实施例可以通过监控第二电压信号的电压值，确定第二电压信号的降压比例，进而，斩波降压电路13可以对第二电压信号进行该降压比例的降压处理，将第二电压信号转换为第二目标电压值的输出电压信号Vo1。
在本申请实施例中，第二目标电压值可以是按实际需求确定的值，例如，第二目标电压值可以是被动式负载所需电压，本申请不作具体限制。
在实际应用中，在被动式负载是通信系统中的用电负载的情况下，第二目标电压值为48V，输出电压信号Vo1为48V直流电压信号。
当然，第二目标电压值可以是其他大小的值，本申请不作具体限制。
能够理解的是，相关技术中DCDC变换器和氢燃料电池组成的电源是输入恒流电源，而输入恒流电源输出的电流恒定，输出的电压不稳定，导致输出功率是非线性变化的，而被动式负载(例如电阻、用电器)是功率是线性变化的，与输入恒流电源的输出控制逻辑冲突，难以适用于被动式负载场景。
而本申请实施例提供的直流-直流转换电路中，通过原边开关电路11将宽电压范围的输入电压信号Vi统一转换为第一目标电压值的第一电压信号，再由副边整流电路12用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号，然后由斩波降压电路13对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号Vo1。其中，由于输出电压信号Vo1的电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，燃料电池产生的能量进入直流-直流转换电路之后，直流-直流转换电路可以以恒压模式按被动式负载的需求输出电流，可以满足被动式负载的供电需求。
根据本申请实施例提供的直流-直流转换电路，包括依次连接的原边开关电路、副边整流电路和斩波降压电路；原边开关电路用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；副边整流电路用于对第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；斩波降压电路用于对第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。这样，在燃料电池产生的能量进入直流-直流转换电路之后，由于直流-直流转换电路的输出电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，直流-直流转换电路能够以恒压模式按被动式负载的需求输出电流，满足了被动式负载的供电需求。
在一个具体的实施例中，被动式负载可以是通信基站中的设备，为了保证输出电压信号中的纹波电压低于通信基站标准，在本申请实施例中，可以进行两级滤波，有效抑制输出电压信号中的纹波电压。
举例而言，斩波降压电路13具体用于：对第二电压信号进行斩波降压处理和同步整流处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。
其中，斩波降压电路13除了斩波降压功能，还可以发挥同步整流的功能。
这样，在斩波降压之前，先采用副边整流电路12对第一电压信号进行滤波处理，第一次滤除第一电压信号中的纹波电压；在斩波降压时，再采用斩波降压电路13对输出电压信号进行同步整流处理，再次滤除输出电压信号中的纹波电压。通过两级滤波，有效抑制输出电压信号中的纹波电压。
在另一个具体的实施例中，为了满足大功率供电需求，本申请实施例还可以通过设置并机电源，拓展直流-直流转换电路10的输出功率。
举例而言，如图2所示，本申请实施例提供的直流-直流转换电路10还可以包括：与副边整流电路12连接的反馈电压电路14；
反馈电压电路14可以用于对第二电压信号进行降压处理，得到第二目标电压值的并机输出电压信号Vo2。
在实际应用中，本申请实施例可以监控斩波降压电路13输入端的第二电压信号，反馈至斩波降压电路13，限制斩波降压电路13的降压比例，从而，保持反馈电压电路14输出的并机输出电压信号Vo2的电压值与斩波降压电路13输出的输出电压信号Vo1的电压值相同。
其中，输出电压信号Vo1可以是斩波电压，非隔离电压；并机输出电压信号Vo2可以是隔离电压，可以作为设备输出电压。
其中，并机输出电压信号Vo2的电压值与输出电压信号Vo1的电压值可以相同，例如，并机输出电压信号Vo2的电压值与输出电压信号Vo1的电压值均为第二目标电压值，以此保证各个并机电源的输出功率一致。
在实际应用中，并机输出电压信号Vo2的电压方向与输出电压信号Vo1的电压方向可以相同，也可以相反，本申请对此不作具体限制。
例如，输出电压信号Vo1为48V直流电压信号，并机输出电压信号Vo2为-48V直流电压信号，此时两者电压大小相同，方向相反，以此保证各个并机电源的输出功率一致。
这样，通过反馈电压电路14输出并机输出电压信号Vo2，以此拓展直流-直流转换电路的输出功率，满足了大功率负载的供电需求。
在另一个具体的实施例中，为了提高升压效率，本申请实施例可以通过高频控制开关和变压器，对来自燃料电池的宽电压范围的输入电压信号Vi进行单级升压处理，并统一转换为第一目标电压值的第一电压信号。
如图3所示，在本申请实施例中，原边开关电路11可以包括：第一变压器T1、第一控制开关V1和第二控制开关V2；第一变压器T1的原边具有第一输入端、第二输入端和第三输入端，第一变压器T1的第一输入端通过第一控制开关V1接地，第一变压器T1的第二输入端用于接收来自燃料电池的输入电压信号Vi，第一变压器T1的第三输入端通过第二控制开关V2接地；第一变压器T1的副边与副边整流电路12连接。
其中，第一控制开关V1和第二控制开关V2的工作频率可调。例如，第一控制开关V1和第二控制开关V2可以是MOS管。
本申请可以通过调节第一控制开关V1和第二控制开关V2的工作频率，调节第一变压器T1的升压比例。其中，输入电压信号Vi对应的电流值(或者电压值)不同，对应确定的升压比例也不同。
这样，本申请可以通过监控输入电压信号Vi的电流值，确定输入电压信号Vi的升压比例，进而将宽电压范围的输入电压信号Vi，统一转换为第一目标电压值的第一电压信号。
在另一个具体的实施例中，为了滤除输出电压信号中的纹波电压，本申请实施例可以采用CLC滤波电路作为副边整流电路，初次滤除纹波电压。
举例而言，如图3所示，本申请实施例提供的直流-直流转换电路10中，副边整流电路12可以包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2；
第一变压器T1的副边具有第一输出端、第二输出端和第三输出端，第一变压器T1的第一输出端通过第一二极管D1与第一电感L1的一端连接，第一变压器T1的第二输出端接地，第一变压器T1的第三输出端通过第二二极管D2与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的一端还通过第一电容C1接地，第一电感L1的另一端通过第二电容C2接地，第一电感L1的另一端还与斩波降压电路13连接。
其中，第一二极管D1和第二二极管D2具有单向导电性，可以发挥整流作用，抑制第一电压信号中的高频噪声。
其中，第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2可以组成CLC滤波电路，滤除第一电压信号中的纹波电压。其中，电容值和电感值越大，滤波效果越好。
当然，在实际应用中，除了采用CLC滤波电路之外，副边整流电路12也可以包括其他类型/其他结构的滤波电路，本申请对此不作限制。
在另一个具体的实施例中，为了进一步滤除输出电压信号中的纹波电压，如图3所示，本申请实施例提供的斩波降压电路13可以包括：第三控制开关V3、第四控制开关V4、第二电感L2和第三电容C3；
第一电感L1的另一端通过第三控制开关V3与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的一端通过第四控制开关V4接地，第二电感L2的另一端通过第三电容C3接地。
其中，第三控制开关V3和第四控制开关V4的工作频率可调。本申请可以通过监控第二电压信号的电压值，确定第二电压信号的降压比例，并基于此降压比例，调节第三控制开关V3和第四控制开关V4的工作频率，以将第二电压信号转换为第二目标电压值的输出电压信号。
其中，第三控制开关V3和第四控制开关V4的类型可以是MOS管，由第三控制开关V3和第四控制开关V4进行同步整流，与二极管整流整流相比可以减少二极管整流带来的噪声与发热。另外，第二电感L2和第三电容C3组成的LC滤波电路也可以再次滤除纹波电压，提高滤波效率。
在另一个具体的实施例中，为了拓展输出功率并满足电气隔离的需求，反馈电压电路14可以采用变压器进行降压。如图3所示，本申请实施例提供的反馈电压电路14可以包括：第二变压器T2、第五控制开关V5、第三二极管D3和第四电容C4；
第二变压器T2的原边具有第一输入端和第二输入端；第二变压器T2的第一输入端与副边整流电路12相连，且位于副边整流电路12和斩波降压电路13之间；第二变压器T2的第二输入端通过第五控制开关V5接地；
第二变压器T2的副边具有第一输出端和第二输出端；第二变压器T2的第一输出端通过第三二极管D3与第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端接地；第二变压器T2的第二输出端接地。
其中，第二变压器T2可以将第二电压信号降压转换为第二目标电压值的并机输出电压信号Vo2。
其中，第五控制开关V5可以控制第二变压器T2的启停。
其中，第三二极管D3具有单向导电性，可以发挥整流作用，抑制并机输出电压信号Vo2中的高频噪声。
其中，第四电容C4可以发挥滤波作用，滤除并机输出电压信号Vo2中的纹波电压。
这样，通过第二变压器T2可以将第二电压信号降压转换为第二目标电压值的并机输出电压信号Vo2，拓展了直流-直流转换电路的输出功率并满足电气隔离的需求。
基于与上述实施例提供的直流-直流转换电路相同的构思，本申请实施例还提供一种燃料电池系统。
如图4所示，本申请实施例提供一种燃料电池系统100，可以包括：上述任一实施例提供的直流-直流转换电路10、燃料电池20、控制器30、被动式负载40以及储能式负载50；
燃料电池20与直流-直流转换电路10连接，直流-直流转换电路10依次与储能式负载50和被动式负载40连接；控制器30与直流-直流转换电路10连接。
这样，在燃料电池20产生的能量进入直流-直流转换电路10之后，通过控制器30调节直流-直流转换电路10中的各个控制开关，控制直流-直流转换电路10处于恒压输出模式，由于直流-直流转换电路10的输出电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，直流-直流转换电路10能够以恒压模式按被动式负载40的需求输出电流至被动式负载40，满足了被动式负载的供电需求。
举例而言，如图5所示，对于直流-直流转换电路10而言，其正输入端IN+与燃料电池20连接，负输入端IN-接地，正输出端OUT+与被动式负载40连接，负输出端OUT-接地，控制端通过CAN总线与控制器30连接。
其中，直流-直流转换电路10还可以通过第四二极管D4与被动式负载40连接，第四二极管D4具有单向导电性，起到保护电路的作用。
如此，在燃料电池20产生的能量通过正输入端IN+进入直流-直流转换电路10之后，通过控制器30和CAN总线调节直流-直流转换电路10，控制直流-直流转换电路10处于恒压输出模式，由于直流-直流转换电路10的输出电压值可以保持恒定(即保持在第二目标电压值)，直流-直流转换电路10能够以恒压模式按被动式负载40的需求输出电流至被动式负载40，满足了被动式负载40的供电需求。
在实际应用中，由于燃料电池动态响应慢，在燃料电池开始工作的预充时间段内，其产生的能量不达标，为了在启动燃料电池系统100时保证快速出电，除了被动式负载外，本申请实施例提供的燃料电池系统100中，负载设备还可以包括储能式负载50，在燃料电池20的预充阶段，采用储能式负载50作为备用电源，为被动式负载40供电，可以提高燃料电池系统100的出电响应速度。
举例而言，被动式负载40可以是消耗能量的负载，例如电阻、用电器等。储能式负载50可以是存储能量的负载，例如，可充电锂电池，可充电铅酸电池，超级电容，等等。
其中，在燃料电池系统100处于预充阶段时，通过储能式负载50出电，为被动式负载40供电。
其中，在燃料电池系统100处于稳定工作阶段时，燃料电池20处于放电模式，通过直流-直流转换电路10出电，为储能式负载50和被动式负载40供电。
通过储能式负载50作为燃料电池20的备用电池，提高燃料电池系统100的出电响应速度。
其中，如图6所示，在燃料电池系统中，可以根据用户端输入的信息，确定控制器的开关控制信号，并将开关控制信号输出至直流-直流转换电路10，对直流-直流转换电路10中的各个控制开关进行控制，使燃料电池系统运行在不同的工作模式。
其中，根据负载设备类型的不同，用户端输入的信息可以包括目标电流和目标电压。
例如，针对储能式负载，目标电流可以设定为用户需求的燃电输出电流，目标电压可以设定为用户需求的储能式负载的最高电压值。
又例如，针对被动式负载，目标电流可以设定为最高电流值，目标电压值设定在被动式负载所需电压。后续可根据通信指令系统控制直流-直流转换电路10以恒压模式按需求输出电流。
其中，燃料电池系统可以包括输入恒流模式和恒压输出模式。
举例而言，在实际应用中，在直流-直流转换电路10稳定工作时，燃料电池系统默认进入输入恒流模式，在输入恒流模式下，对储能式负载进行供电(储能式负载在燃料电池的预充阶段消耗了能量，未满电)。
一段时间后储能式负载50处于满电状态，由于储能式负载50充满电后，导致输入电流为0(电池放电)，此时由逻辑控制燃料电池系统进入恒压输出模式，调整整机的输出电流，以恒压模式向被动式负载40供电。
之后，燃料电池系统可以关机回到输入恒流模式，关机放电，采用放电电路60消耗燃料电池20的剩余燃料，保护前端的燃料电池20。
在实际应用中，在燃料电池系统停机时，若燃料电池中还有未使用完的剩余燃料，剩余燃料长时间存放在燃料电池中可以腐蚀燃料电池，存在安全隐患。基于此，为了保护前端的燃料电池，提高燃料电池的使用寿命，本申请还可以在燃料电池系统中设置放电回路，消耗燃料电池的剩余燃料。
举例而言，在一个具体的实施例中，如图4所示，本申请实施例提供的燃料电池系统100还可以包括：放电回路60；燃料电池20通过放电回路60与直流-直流转换电路10连接；
放电回路60用于在直流-直流转换电路10停止工作的情况下，消耗燃料电池20的剩余燃料。
这样，本申请实施例通过设置放电回路，消耗燃料电池的剩余燃料，避免剩余燃料长时间存放在燃料电池中腐蚀燃料电池，保护了燃料电池的硬件设备并提高了燃料电池的寿命。
举例而言，如图5所示，放电回路60可以包括：放电电阻R1和目标继电器KA1；目标继电器KA1的一端与燃料电池20相连，且位于燃料电池20和直流-直流转换电路10之间，目标继电器KA1的另一端通过放电电阻R1接地。
这样，在直流-直流转换电路10停止工作的情况下，通过导通目标继电器KA1，使放电电阻R1工作，以此消耗燃料电池的剩余燃料，避免剩余燃料长时间存放在燃料电池中腐蚀燃料电池。
在实际应用中，由于燃料电池动态响应慢，在燃料电池开始工作的预充时间段内，其产生的能量不达标，输入至直流-直流转换电路的电压较小，难以满足负载供电需求。因此，在燃料电池开始工作的预充时间段内，本申请实施例可以先通过预充模块进行燃料电池的预充过程，在燃料电池产生的能量达到稳态后再控制直流-直流转换电路10开始工作。
举例而言，在一个具体的实施例中，为了保证直流-直流转换电路10稳定工作，如图4所示，本申请实施例提供的燃料电池系统100还可以包括：预充模块70；燃料电池20通过预充模块70与直流-直流转换电路10连接，预充模块70与控制器30连接；
控制器30还用于向预充模块70输入预充使能信号，控制预充模块70的开关状态，以使所述燃料电池20在运行预充时间段后向所述直流-直流转换电路10传输输入电压信号Vi。
这样，本申请实施例可以在燃料电池开始工作的预充时间段内，本申请实施例可以先通过预充模块进行燃料电池的预充过程，在燃料电池产生的能量达到稳态后，再连通直流-直流转换电路10，控制直流-直流转换电路10开始工作，保证直流-直流转换电路10稳定运行。
举例而言，如图5所示，预充模块70可以包括：输入主继电器KA2、输入预充继电器KA3和预充电阻R2；输入主继电器KA2的一端与所述燃料电池20连接，输入主继电器KA2的另一端与所述直流-直流转换电路10连接；输入预充继电器KA3的一端通过所述预充电阻R2与所述燃料电池20连接，输入预充继电器KA3的另一端与所述直流-直流转换电路10连接。
其中，根据输入的预充使能信号，开启输入预充继电器KA3，开启输入主继电器KA2，此时通过预充电阻R2消耗燃料电池20产生的不稳定能量，在燃料电池20运行预充时间段后，关闭输入预充继电器KA3，结束预充过程，此时燃料电池20与直流-直流转换电路10相连通，直流-直流转换电路10开始工作。
在实际应用中，可以根据输入预充使能信号，依次控制预充继电器KA3开启，输入主继电器KA2开启、预充继电器KA3关闭，如果失败则预充报错。
在实际应用中，在启动燃料电池系统后，燃料电池20可进入放电模式为负载设备供电，然后停机。或者，燃料电池系统可以不经过放电模式直接停机。在燃料电池系统停机时，通过关闭输入主继电器KA2，可以控制燃料电池系统100停机。
基于与上述任一实施例提供的燃料电池系统100相同的构思，本申请实施例还提供一种对上述任一实施例提供的燃料电池系统的控制方法。
如图7所示，本申请实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，可以包括：
步骤710：在接收到启动命令的情况下，获取预充使能信号；
步骤720：根据预充使能信号，在预充时间段内控制预充模块工作；
步骤730：根据启动命令，在预充时间段内控制储能式负载向被动式负载供电；
步骤740：在燃料电池稳态运行后，以输入恒流模式控制直流-直流转换电路对储能式负载进行供电；
步骤750：在储能式负载处于满电状态时，将输入恒流模式切换至恒压输出模式，以恒压输出模式控制直流-直流转换电路对被动式负载供电。
在步骤710中，在接收到用户输入的启动命令的情况下，获取预先确定的预充使能信号，控制燃料电池开始工作，燃料电池的工作阶段包括预充阶段和稳定运行阶段。
在步骤720中，根据所述预充使能信号，在预充时间段内控制预充模块工作，避免燃料电池产生的不稳定能量提供给被动式负载。
在步骤730中，根据启动命令，在预充时间段内控制储能式负载向被动式负载供电，可以使燃料电池系统提前响应，减小出电时间，提高出电响应速度，提前向被动式负载供电。
其中，启动命令是控制器根据用户端输入的信息生成的，基于此，用户端控制模块可以先由备用电源(例如储能式负载)进行供电，保证及时获取启动命令，提高出电响应速度。
在步骤740中，在燃料电池稳态运行后，以输入恒流模式对储能式负载进行供电，将储能式负载充满电。
在步骤750中，在储能式负载处于满电状态时，燃料电池系统切换至恒压输出模式，以恒压输出模式控制燃料电池和直流-直流转换电路对被动式负载供电，满足被动式负载的供电需求。
根据本申请实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，通过在接收到启动命令的情况下，获取预充使能信号；根据所述预充使能信号，在预充时间段内控制预充模块工作；根据所述启动命令，在预充时间段内控制储能式负载向被动式负载供电；在燃料电池稳态运行后，以输入恒流模式控制燃料电池和直流-直流转换电路对储能式负载进行供电；在储能式负载处于满电状态时，切换至恒压输出模式，以输入恒流模式控制燃料电池和直流-直流转换电路对被动式负载供电。这样，在接收到启动命令的情况下，燃料电池产生的能量进入直流-直流转换电路，通过控制器控制直流-直流转换电路处于恒压输出模式，以恒压模式按被动式负载的需求输出电流至被动式负载，满足了被动式负载的供电需求。并且，根据启动命令，在预充时间段内控制储能式负载向被动式负载供电，可以使燃料电池系统提前响应，减小出电时间，提高出电响应速度，提前向被动式负载供电。
在一个具体的实施例中，本申请实施例提供的燃料电池系统的控制方法，还可以包括：
步骤760：在接收到停止命令的情况下，关闭直流-直流转换电路，并控制放电回路工作。
其中，步骤760可以在步骤730或者步骤760之后执行。
在步骤760中，在接收到用户端输入的停止命令的情况下，具体可以通过关于输入主继电器KA2，以此关闭直流-直流转换电路。
在步骤760中，在接收到用户端输入的停止命令的情况下，具体可以通过开启目标继电器KA1，使放电电阻R1工作，以此消耗燃料电池20的剩余燃料，避免剩余燃料长时间存放腐蚀燃料电池20。
图8为本申请实施例提供的另一种燃料电池系统的控制方法的示意性流程图。
在实际应用中，如图8所示，本申请实施例提供的燃料电池系统的控制流程可以包括：
第一，燃料电池系统先加控制电，例如先向用户端控制模块供电，然后进行自检，在通过自检的情况下，进入待机状态。
第二，燃料电池系统处于待机状态下，如果收到预充模块中相应继电器的“使能”命令，则输入预充使能信号；如果收到预充模块中相应继电器的“不使能”命令，则保持待机状态。
其中，在燃料电池系统处于待机状态下，判断是否收到用户端的启动命令，如果收到启动命令，启动燃料电池系统。
第三，在燃料电池系统运行时，燃料电池开始运行。由于燃料电池的动态响应慢，燃料电池的运行状态下输出电压包括梯度上升、稳态和梯度下降三个循环阶段。
其中，在收到放电命令时，控制燃料电池进入放电模式，燃料电池在放电模式下通过直流-直流转换电路向被动式负载供电，直至收到停止命令，控制燃料电池系统停机。
第四，在燃料电池系统处于运行状态下，还可以判断是否检测到故障。在检测到故障的情况下，可以进入故障模式。在故障模式下判断是否收到清除故障指令，如果收到清除故障指令，进入待机模式；如果未收到清除故障指令，保持故障模式。
在实际应用中，本申请实施例提供的燃料电池系统中，可以通过结构设计，对电源(包括直流-直流转换电路)进行灌胶、外壳热效应处理，解决定制化问题。
在实际应用中，本申请实施例可以对直流-直流转换电路的输出逻辑进行干涉，使其在被动式负载场景时仍可进行定压、恒流输出。
在实际应用中，直流-直流转换电路为单级升压，减少了器件数量，可以有效地进行小型化处理，且单级升压电路提高效率、器件选型相对容易。
在实际应用中，直流-直流转换电路进行同步整流、隔离输出、再进行两级滤波，有效抑制输出纹波电压。
在实际应用中，燃料电池的剩余燃料可以通过放电回路消耗，有效保护燃料电池关机吹扫。
在实际应用中，直流-直流转换电路通过原边开关电路监控输入电流，反馈控制初级开关工作，保证各并机电源输出功率一致。
本申请实施例提供的燃料电池系统，满足了氢燃料电池备用电源的应用要求，直流-直流转换电路在氢燃料电池较宽的输入电压范围内工作并可通过扩展实现大功率输出、初次级电气隔离级小型化的要求。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的直流-直流转换电路，其特征在于，包括：依次连接的原边开关电路(11)、副边整流电路(12)和斩波降压电路(13)；
所述原边开关电路(11)用于对来自燃料电池的输入电压信号进行升压处理，得到第一目标电压值的第一电压信号；
所述副边整流电路(12)用于对所述第一电压信号进行滤波处理，得到第二电压信号；
所述斩波降压电路(13)用于对所述第二电压信号进行斩波降压处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换电路，其特征在于，所述斩波降压电路(13)具体用于：对所述第二电压信号进行斩波降压处理和同步整流处理，得到第二目标电压值的输出电压信号。
3.根据权利要求2所述的直流-直流转换电路，其特征在于，
所述原边开关电路(11)包括：第一变压器(T1)、第一控制开关(V1)和第二控制开关(V2)；所述第一变压器(T1)的原边具有第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述第一变压器(T1)的第一输入端通过第一控制开关(V1)接地，所述第一变压器(T1)的第二输入端用于接收来自燃料电池的输入电压信号，所述第一变压器(T1)的第三输入端通过第二控制开关(V2)接地；所述第一变压器(T1)的副边与所述副边整流电路(12)连接。
4.根据权利要求3所述的直流-直流转换电路，其特征在于，所述副边整流电路(12)包括：第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电感(L1)、第一电容(C1)和第二电容(C2)；
所述第一变压器(T1)的副边具有第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述第一变压器(T1)的第一输出端通过所述第一二极管(D1)与所述第一电感(L1)的一端连接，所述第一变压器(T1)的第二输出端接地，所述第一变压器(T1)的第三输出端通过所述第二二极管(D2)与所述第一电感(L1)的一端连接，所述第一电感(L1)的一端还通过所述第一电容(C1)接地，所述第一电感(L1)的另一端通过所述第二电容(C2)接地，所述第一电感(L1)的另一端还与所述斩波降压电路(13)连接。
5.根据权利要求4所述的直流-直流转换电路，其特征在于，
所述斩波降压电路(13)包括：第三控制开关(V3)、第四控制开关(V4)、第二电感(L2)和第三电容(C3)；
所述第一电感(L1)的另一端通过所述第三控制开关(V3)与所述第二电感(L2)的一端连接，所述第二电感(L2)的一端通过所述第四控制开关(V4)接地，所述第二电感(L2)的另一端通过所述第三电容(C3)接地。
6.根据权利要求1-5任一项所述的直流-直流转换电路，其特征在于，所述直流-直流转换电路还包括与所述副边整流电路(12)连接的反馈电压电路(14)；
所述反馈电压电路(14)用于对所述第二电压信号进行降压处理，得到第二目标电压值的并机输出电压信号；
其中，反馈电压电路(14)包括：第二变压器(T2)、第五控制开关(V5)、第三二极管(D3)和第四电容(C4)；
所述第二变压器(T2)的原边具有第一输入端和第二输入端；所述第二变压器(T2)的第一输入端与所述副边整流电路(12)相连，且位于所述副边整流电路(12)和所述斩波降压电路(13)之间；所述第二变压器(T2)的第二输入端通过所述第五控制开关(V5)接地；
所述第二变压器(T2)的副边具有第一输出端和第二输出端；所述第二变压器(T2)的第一输出端通过所述第三二极管(D3)与所述第四电容(C4)的一端连接，所述第四电容(C4)的另一端接地；所述第二变压器(T2)的第二输出端接地。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的直流-直流转换电路(10)、燃料电池(20)、控制器(30)、被动式负载(40)以及储能式负载(50)；
所述燃料电池(20)与所述直流-直流转换电路(10)连接，所述直流-直流转换电路(10)依次与所述储能式负载(50)和所述被动式负载(40)连接；所述控制器(30)与所述直流-直流转换电路(10)连接。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括放电回路(60)；所述燃料电池(20)通过所述放电回路(60)与所述直流-直流转换电路(10)连接；
所述放电回路(60)用于在所述直流-直流转换电路(10)停止工作的情况下，消耗所述燃料电池(20)的剩余燃料；
其中，所述放电回路(60)包括：放电电阻(R1)和目标继电器(KA1)；所述目标继电器(KA1)的一端与所述燃料电池(20)相连，且位于所述燃料电池(20)和所述直流-直流转换电路(10)之间，所述目标继电器(KA1)的另一端通过所述放电电阻(R1)接地。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括预充模块(70)；所述燃料电池(20)通过预充模块(70)与所述直流-直流转换电路(10)连接，所述预充模块(70)与所述控制器(30)连接；
所述控制器(30)还用于向所述预充模块(70)输入预充使能信号，控制所述预充模块(70)的开关状态，以使所述燃料电池(20)在运行预充时间段后向所述直流-直流转换电路(10)传输所述输入电压信号。
10.一种如权利要求9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：
在接收到启动命令的情况下，获取预充使能信号；
根据所述预充使能信号，在预充时间段内控制所述预充模块工作；
根据所述启动命令，在预充时间段内控制所述储能式负载向所述被动式负载供电；
在所述燃料电池稳态运行后，以输入恒流模式控制所述直流-直流转换电路对所述储能式负载进行供电；
在所述储能式负载处于满电状态时，将输入恒流模式切换至恒压输出模式，以恒压输出模式控制所述直流-直流转换电路对被动式负载供电。
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