CN206341150U - 用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中，直流输入电压的正极通过初级输入电容接地，通过初级第一电感和初级第一开关接地，通过初级第二电感和初级第二开关接地，初级变压器的异名端电连接在初级第一电感与初级第一开关之间，初级变压器的同名端电连接在初级第二电感与初级第二开关之间，次级变压器的同名端与次级第一二极管、次级第三二极管、次级输出电容的一端以及负载的一端电连接，次级变压器的异名端与次级第二二极管、次级第四二极管、次级输出电容的另一端以及负载的另一端电连接,次级变压器的输出电压施加在输出负载的两端。该方案延长了氢燃料电池的寿命。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及直流升压变换器，具体而言涉及一种用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器。
【背景技术】
传统汽车排放尾气对环境造成的污染的问题日益突出。而电动汽车存在充电时间长，续航里程有限的问题。氢燃料电池是一种零污染、高效率、续航里程长清洁电池，被广泛应用于汽车领域。氢燃料电池使得氢气和氧气进行化学反应产生电能，通常是为整车供电的基本单元。但是氢燃料电池输出的电压变比较低，需要通过直流升压变换器将电压升高，从而满足整车动力电池电压平台需求。直流升压变换器作用是将输入的低压直流电压转换成高压直流电压进行输出。这要求直流升压变换器的输出直流电压与输入直流电压的升压比足够大，从而满足不同车型对电压的需求。电池输出端连接动力电池和电机，电机工作时产生电磁干扰，电磁干扰会流经直流升压变换器，从而影响氢燃料电池的正常工作。
传统的直流升压变换器以Boost电路为主，主要由电感、电容、开关管和二极管组成，能实现最基本的升压功能，但属于非隔离型直流升压变换器，其输入端与输出端存在直接的电气连接。
而传统的隔离型直流升压变换器采用全桥或者半桥等拓扑结构，以Buck电路为基础演变而来，是以降压为基本的拓扑结构，其输入输出升压比无法设计得很高。满足不了整车动力电池与氢燃料电池的电压匹配需求。
在目前使用的直流升压变换器多为非隔离型升压变换器，安全性差，抗干扰性能弱，在连接氢燃料电池和电机时，电机产生的干扰很容易通过非隔离型的直流升压变换器影响到燃料电池和动力电池。
而传统的隔离型直流升压变换器采用以Buck为原型的降压拓扑结构衍生而来，升压比无法达到很高，极限升压比就是变压器的次级和初级绕组比，然而变压器的次级与初级变比越大，分布参数越大，漏感越大，会影响整体变换器的性能，且会使得传输效率降低，所以传统的隔离型变换器即使满足了电气隔离的需求，也无法满足整车动力电池和燃料电池电压的匹配。
为此，期望提供一种新型的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其既可以满足整车动力燃料电池电压需求，还能够满足直流输入输出电气隔离的要求，使得电机与氢燃料电池之间有电气隔离。
【实用新型内容】
本实用新型的目的在于提供一种于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，旨在解决现有技术存在的缺陷。本实用新型的目的通过以下技术方案得以实现。
根据本实用新型的一个实施方式提供了一种用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中所述直流升压变换器的直流输入电压的正极通过初级第一电感和初级第一开关接地，通过初级第二电感和初级第二开关接地，初级变压器的异名端电连接在初级第一电感与初级第一开关之间，初级变压器的同名端电连接在初级第二电感与初级第二开关之间，次级变压器的同名端与次级第一二极管、次级第三二极管、次级输出电容的一端以及负载的一端电连接，次级变压器的异名端与次级第二二极管、次级第四二极管、次级输出电容的另一端以及负载的另一端电连接,次级变压器的输出电压施加在输出负载的两端。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中所述直流升压变换器的直流输入电压的正极还通过初级输入电容接地。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中输入直流电压的范围为60伏至120伏，输出直流电压的范围为580伏至720伏。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中初级第一开关和初级第二开关的占空比至少为50％且小于100％。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中初级第一开关和初级第二开关的占空比至少为50％且不大于80％。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中变压器电压变比2.25。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中初级第一电感的电感量与初级第二电感的电感量相同，初级第一电感和初级第二电感的大小可以通过公式:Vin＝Li×△i/Dt进行初步选择，其中Vin为输入直流电压，△i为初级电感电流变化量，Dt为初级电感的导通时间。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中初级电感的电感量还能够根据电路对电感体积要求、电感工作温度要求和未滤波输入电流的纹波要求进行二次选择。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中未滤波输入电流的纹波为通过初级第一电感和初级第二电感的电感电流变化量的和，未滤波输入电流的纹波能够通过初级输入电容进行滤波，形成滤波后的输入电流的纹波，滤波后的输入电流的纹波小于未滤波输入电流的纹波。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中次级输出电容C2用于对输出直流电压和电流进行稳流，次级输出电容C2电容值至少为220μF。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中初级输入电容C1用于对输入直流电压和电流进行稳流，初级输入电容C1和电容值至少为220μF。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中次级第一二极管和次级第三二极管与次级第二二极管和次级第四二极管用于次级电路的导通和截止，次级二极管通过通态电流和反向电压进行选择，通态电流根据电路的输入电流进行计算，反向电压根据电路的输出电压进行选择。
根据本实用新型的上述实施方式提供的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中当初级第二开关导通且初级第一开关断开时，次级变压器、次级第一二极管、输出负载和次级第四二极管构成一个回路；当初级第二开关断开且初级第一开关导通时，次级变压器、次级第二二极管、输出负载和次级第三二极管构成一个回路；当初级第二开关导通且初级第一开关导通时，则变压器不工作。
该方案通过选择合适初级电感、初级开关和初级输入电容使得输入电流的纹波比较小，从而延长了氢燃料电池的寿命。
该方案由于采用变压器升高电压和传输能量，使得输入与输出之间存在电气隔离，保证供电系统电压供给同时确保供电系统安全。
【附图说明】
参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。图中：
图1示出了根据本实用新型一个实施方式的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器。
【具体实施方式】
图1和以下说明描述了本实用新型的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本实用新型。为了教导本实用新型技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用新型的多个变型。由此，本实用新型并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
图1示出了根据本实用新型的一个实施方式提供了一种用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器。如图1所示，直流升压变换器的直流输入电压Vin的正极通过初级输入电容C1接地，通过初级第一电感L1和初级第一开关sw1接地，通过通过初级第二电感L2和初级第二开关sw2接地，初级变压器的异名端电连接在初级第一电感L1与初级第一开关sw1之间，初级变压器的同名端电连接在初级第二电感L2与初级第二开关sw2之间，次级变压器的同名端与次级第一二极管D1、次级第三二极管D3、次级输出电容C2的一端以及负载的一端电连接，次级变压器的异名端与次级第二二极管D2、次级第四二极管D4、次级输出电容C2的另一端以及负载的另一端电连接,次级变压器的输出电压Vout施加在输出负载R0的两端。
可选地，相对于图1中所示的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，根据本实用新型的另一个实施方式的用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器不包括初级输入电容C1。
对于电动汽车而言，需要将几十伏的输入直流电压(60伏至120伏)的电压变换为几百伏的输出直流电压(例如580伏至720伏)，现有的直流升压变换器无法满足电动汽车输出电压需求。例如为了将60伏的输入直流电压Vin变换为600伏的输出直流电压Vout，在该过程中输入电流为500安培，输出电流为50安培，输入功率为30千瓦，如果该电路的效率为92％，则输出功率为27.6千瓦。
对于如图1所示的直流升压变换器而言，其中Vout＝Vin×N/(1-D)(公式1)，在公式1中，N为电路中变压器电压变比，D为初级第一开关sw1和初级第二开关sw2的占空比，其中D＝Dt/DT(公式2),公式2中，DT为初级第一开关sw1和初级第二开关sw2的开关工作周期，Dt为初级第一开关sw1或初级第二开关sw2的开关导通时间，开关导通时间根据需要进行调整。在该电路中，占空比至少为50％且小于100％，优选地，占空比为：50％≤D≤80％。
对于初级电路而言，初级第一电感L1的电感量与初级第二电感L2的电感量相同，初级第一电感L1和初级第二电感L2的大小可以通过公式3:Vin＝Li×△i/Dt进行初步选择，其中△i为电感电流变化量。当△i、Dt以及输入直流电压Vin已知时，则能够初步计算出初级第一电感L1和初级第二电感L2的电感值。初级电感L1和L2的电感量大小还需要根据电路对电感体积要求、电感工作温度要求和未滤波输入电流的纹波要求进行二次选择，从而优化整个电路，未滤波输入电流的纹波为通过初级第一电感L1和初级第二电感L2的电感电流变化量的和。优选地，未滤波输入电流的纹波能够通过初级输入电容C1进行滤波，形成滤波后的输入电流的纹波，滤波后的输入电流的纹波小于未滤波输入电流的纹波。
对于次级电路而言，当初级第二开关sw2导通且初级第一开关sw1断开时，次级变压器、D1、输出负载和D4构成一个回路；当初级第二开关sw2断开且初级第一开关sw1导通时，次级变压器、次级第二二极管D2输出负载和次级第三二极管D3构成一个回路。当初级第二开关sw2导通且初级第一开关sw1导通时，则变压器不工作。
初级输入电容C1用于对输入直流电压和电流进行稳流，次级输出电容C2用于对输出直流电压和电流进行稳流，初级输入电容C1和次级输出电容C2电容值至少为220μF。初级输入电容C1和次级输出电容C2在体积和成本允许的情况下，其电容值越大，则对电路的稳流效果越好。
次级第一二极管D1和次级第三二极管D3与次级第二二极管D2和次级第四二极管D4用于次级电路的导通和截止。次级二极管D1～D4通过通态电流和反向电压进行选择。通态电流可以根据电路的输入电流进行计算，反向电压可以根据电路的输出电压进行选择。次级二极管D1～D4选择时需要满足导通时能够承载电流，且在导通与断开转换时其产生的损耗不会使得二极管过热损坏。
该方案通过选择合适初级电感、初级开关和初级输入电容使得氢燃料电池电压被抬高，符合整车动力电池电压平台，且使得输入电流的纹波比较小，从而延长了氢燃料电池的寿命。
该方案由于采用变压器升高电压和传输能量，使得输入与输出之间存在电气隔离，保证供电系统电压供给同时确保供电系统安全。
Claims (13)
1.一种用于隔离型氢燃料电池的直流升压变换器，其中所述直流升压变换器的直流输入电压的正极通过初级第一电感和初级第一开关接地，通过初级第二电感和初级第二开关接地，初级变压器的异名端电连接在初级第一电感与初级第一开关之间，初级变压器的同名端电连接在初级第二电感与初级第二开关之间，次级变压器的同名端与次级第一二极管、次级第三二极管、次级输出电容的一端以及负载的一端电连接，次级变压器的异名端与次级第二二极管、次级第四二极管、次级输出电容的另一端以及负载的另一端电连接,次级变压器的输出电压施加在输出负载的两端。
2.如权利要求1所述的直流升压变换器，其中，所述直流升压变换器的直流输入电压的正极还通过初级输入电容接地。
3.如权利要求1或2所述的直流升压变换器，其中，输入直流电压的范围为60伏至120伏，输出直流电压的范围为580伏至720伏。
4.如权利要求3所述的直流升压变换器，其中，初级第一开关和初级第二开关的占空比至少为50％且小于100％。
5.如权利要求3所述的直流升压变换器，其中，初级第一开关和初级第二开关的占空比至少为50％且不大于80％。
6.如权利要求3所述的直流升压变换器，其中，变压器电压变比2.25。
7.如权利要求1或2所述的直流升压变换器，其中，初级第一电感的电感量与初级第二电感的电感量相同，初级第一电感和初级第二电感的大小可以通过公式:Vin＝Li×△i/Dt进行初步选择，其中Vin为输入直流电压，△i为初级电感电流变化量，Dt为初级电感的导通时间。
8.如权利要求7所述的直流升压变换器，其中，初级电感的电感量还能够根据电路对电感体积要求、电感工作温度要求和未滤波输入电流的纹波要求进行二次选择。
9.如权利要求2所述的直流升压变换器，其中，未滤波输入电流的纹波为通过初级第一电感和初级第二电感的电感电流变化量的和，未滤波输入电流的纹波能够通过初级输入电容进行滤波，形成滤波后的输入电流的纹波，滤波后的输入电流的纹波小于未滤波输入电流的纹波。
10.如权利要求1所述的直流升压变换器，其中，次级输出电容C2用于对输出直流电压和电流进行稳流，次级输出电容C2电容值至少为220μF。
11.如权利要求2所述的直流升压变换器，其中，初级输入电容C1用于对输入直流电压和电流进行稳流，初级输入电容C1和电容值至少为220μF。
12.如权利要求1或2所述的直流升压变换器，其中，次级第一二极管和次级第三二极管与次级第二二极管和次级第四二极管用于次级电路的导通和截止，次级二极管通过通态电流和反向电压进行选择，通态电流根据电路的输入电流进行计算，反向电压根据电路的输出电压进行选择。
13.如权利要求1或2所述的直流升压变换器，其中，当初级第二开关导通且初级第一开关断开时，次级变压器、次级第一二极管、输出负载和次级第四二极管构成一个回路；当初级第二开关断开且初级第一开关导通时，次级变压器、次级第二二极管、输出负载和次级第三二极管构成一个回路；当初级第二开关导通且初级第一开关导通时，则变压器不工作。
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