CN206620050U - 用于串联型氢燃料电池直流升压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于串联型氢燃料电池的直流升压变换器包括串联的前级升压电路和后级升压电路，前级升压电路用于将输入电压升压到中间电压,后级升压电路用于将中间电压升高到输出电压，后级升压电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，第一镜像电路和第二镜像电路以镜像方式跨接在中间电压两端，前级升压电路中，前级输入电容跨接在输入电压两端，后级升压电路通过后级输出电容输送输出电压。该直流升压变换器克服了现有技术中变比越高效率越低的问题，具有变比大、效率高的优点。

Description

用于串联型氢燃料电池直流升压变换器

【技术领域】

本实用新型涉及一种直流升压变换器，具体而言涉及一种用于串联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。还要求直流升压变换器的转换效率足够高，从而保证良好的散热和整车较长时间的续航里程。

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，但需要通过电路并联来实现低压大电流的大功率传输。输入输出升压比有限，当占空比为80％时候，升压比为5倍，且效率低下。基于目前现状，功率密度大的氢燃料电池输出电压都很低，一般为50～100V左右，而整车的动力电池的电压等级一般在650V左右，在SOC很高时候，动力电池电压峰值会达到720V，如果采用传统的直流升压变换器，很难满足输入电压与输出电压变比关系，与此同时，变比越高效率越低的问题严重影响整车的续航里程。

为此，期望提供一种新型的用于串联型氢燃料电池直流升压变换器，其具有变比大、效率高的优点。

【实用新型内容】

本实用新型旨在提供一种用于串联型氢燃料电池直流升压变换器，用于解决现有技术中变比越高效率越低严重影响整车续航里程的问题。本实用新型的目的通过以下技术方案得以实现。

本实用新型的一个实施方式提供了一种用于串联型氢燃料电池的直流升压变换器，包括串联的前级升压电路和后级升压电路，前级升压电路用于将输入电压升压到中间电压,后级升压电路用于将中间电压升高到输出电压。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

后级升压电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，第一镜像电路和第二镜像电路以镜像方式跨接在中间电压两端。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

前级升压电路中，前级输入电容跨接在输入电压两端。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

后级升压电路通过后级输出电容输送输出电压。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

后级升压电路通过并联的后级第一输出电容和后级第二输出电容来输送输出电压。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

前级升压电路中，输入电压的两端跨接有前级输入电容，前级第一电感和串联的前级第一开关端跨在输入电压的两端，前级第一电感与串联的前级第一二极管和前级输出电容跨接在输入电压的两端，前级第二电感和串联的前级第二开关端跨在输入电压的两端，前级第二电感和串联的前级第二二极管和前级输出电容跨在输入电压的两端。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

前级升压电路包括并联的六个前级输出电容，跨接在中间电压两端。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

第一镜像电路中，后级第一电感与串联的后级第一开关跨接在中间电压的两端，后级第一电感与串联的后级第一二极管和第一镜像电路的输出电容跨接在中间电压的两端；第二镜像电路中，后级第二电感与串联的后级第二开关跨接在中间电压的两端，后级第二电感与串联的后级第二二极管和第二镜像电路的输出电容跨接在中间电压的两端。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

第一镜像电路包括三个并联的输出电容，跨接在输出电压正极与中间电压负极之间。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

第二镜像电路包括三个并联的输出电容，跨接在中间电压正极与输出端负极之间。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

输出电压通过公式：V_out/V_in＝1/(1-D_q1)×(1+D_h3)/(1-D_h3)进行计算,其中V_in为输入电压，V_out为输出电压，D_q1为前级第一开关的占空比，前级第二开关的占空比与前级第一开关的占空比相等，D_h3为后级第一开关的占空比，后级第二开关的占空比与后级第一开关的占空比相等。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

前级第一电感的电感量与前级第二电感的电感量相同，前级第一电感的电感量与前级第二电感的电感量的大小L_q通过公式:V_in＝L_q×△i_q/D_q进行初步选择，其中V_in为输入电压，△i_q为流过其中一个电感的电感电流变化量，D_q为前级升压电路中前级开关的导通时间。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

后级第一电感的电感量与后级第二电感的电感量相同，后级第一电感的电感量与后级第二电感的电感量的大小L_h通过公式:V_c＝L_h×△i_h/D_h进行初步选择，其中V_c为中间电压，△i_h为流过后级升压电路中其中一个电感的电流变化量，D_h为后级升压电路中后级开关的导通时间，中间电压通过公式：V_c/V_in＝1/(1-D_q1)进行计算，V_in为输入电压，D_q1为前级第一开关的占空比，前级第二开关的占空比与前级第一开关的占空比相等。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

直流升压变换器中各个电容根据体积和成本进行选择,例如可选为220μF。

根据本实用新型的上述一个实施方式提供的直流升压变换器，

其中

直流升压变换器中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。

该电路拓扑使得所用元器件的电应力最小，并且可以满足输入输出大变比的需求。采用这种前级升压电路后，后级升压电路后级镜像的电路可以进一步增加输入电流等级且提高输出电压。

【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发明的技术方案，而并非意在对本发明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串联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。为了教导本发明技术方案，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发明的多个变型。由此，本发明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一个实施方式的用于串联型氢燃料电池的直流升压变换器。如图1所示，直流升压变换器包括串联的前级升压电路和后级升压电路，前级升压电路用于将输入电压V_in升压到中间电压V_c,后级升压电路用于将中间电压V_c升高到输出电压V_out。

前级升压电路中，输入电压V_in的两端跨接有前级输入电容C_in，前级第一电感L1和串联的前级第一开关SW1端跨在输入电压V_in的两端，前级第一电感L1与串联的前级第一二极管D1和前级第一电容C1跨在输入电压V_in的两端，前级第二电感L2和串联的前级第二开关SW2端跨在输入电压V_in的两端，前级第二电感L2和串联的前级第二二极管D2和前级第一电容C1跨在输入电压V_in的两端，与前级第一电容C1并联的前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6跨接在输入电压V_in的两端，前级升压电路用于将输入电压V_in升压到中间电压V_c。需要说明的是，前级升压电路还包括与前级第一电容并联其他数量的前级电容，跨接在输入电压的两端，而这也在本发明的保护范围内。

后级升压电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，第一镜像电路和第二镜像电路以镜像方式跨接在中间电压V_c两端。输出电压V_out的两端可以连接负载，例如电阻。

第一镜像电路中，后级第一电感L3与串联的后级第一开关SW3跨接在中间电压V_c的两端，后级第一电感L3与串联的后级第一二极管D3和第一镜像电路的第一电容C_x1跨接在中间电压V_c的两端,与第一镜像电路的第一电容C_x1并联的第一镜像电路的第二电容C_x2和第三电容C_x3跨接在中间电压V_c的两端。第一镜像电路还包括与第一镜像电路的第一电容并联的其他数量的电容，跨接在输出电压正极与中间电压负极的两端，而这也在本发明的保护范围内。

第二镜像电路中，后级第二电感L4与串联的后级第二开关SW4跨接在中间电压V_c的两端，后级第二电感L4与串联的后级第二二极管D4和第二镜像电路的第一电容C_y1跨接在中间电压V_c的两端,与第二镜像电路的第一电容C_y1并联的第二镜像电路的第二电容C_y2和第三电容C_y3跨接在中间电压V_c的两端。第二镜像电路还包括与第二镜像电路的第一电容并联的第二镜像电路的其他数量的电容，跨接在中间电压正极与输出电压负极的两端，而这也在本发明的保护范围内。

后级升压电路通过后级输出电容输送输出电压。在本发明的一个实施方式中，后级升压电路通过并联的后级第一输出电容C_out1和后级第二输出电容C_out2来输送输出电压V_out。后级升压电路还可以包括其他数量的后级输出电容，而这一个在本发明的保护范围内。输出电压V_out的两端可以连接负载，例如电阻。

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V_in变换为600伏的输出直流电压V_out，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，前级升压电路用于将输入电压V_in升压到中间电压V_c。具体而言是通过公式1：

V_c/V_in＝1/(1-D_q1) (公式1)

后级升压电路用于将中间电压V_c升高到输出电压V_out。具体而言是通过公式2：

V_out/V_c＝(1+D_h3)/(1-D_h3) (公式2)

将公式1代入公式2中，则输出电压V_out通过公式3获得：

V_out/V_in＝1/(1-D_q1)×(1+D_h3)/(1-D_h3) (公式3)

前级第一开关SW1和前级第二开关SW2的占空比分别为D_q1和D_q2并且D_q1＝D_q2。后级第一开关SW3和后级第二开关SW4的占空比分别为D_h3和D_h4并且D_h3＝D_h4。占空比D_q1和D_q2和D_h3和D_h4可以根据需要进行调整。在公式1-公式3中，D_q1可以由D_q2替换，D_h3可以由D_h4替换。

前级升压电路中，前级第一电感L1的电感量与前级第二电感L2的电感量相同，前级第一电感L1的电感量与前级第二电感L2的电感量的大小可以通过公式4:V_in＝L_q×△i_q/D_q进行初步选择，其中△i_q为流过其中一个电感的电感电流变化量，D_q为前级升压电路中前级第一开关SW1或者前级第二开关SW2的导通时间。当△i_q、D_q以及输入直流电压V_in已知时，则能够初步计算出前级第一电感L1与前级第二电感L2的电感值L_q。前级电感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前级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。前级未滤波输入电流的纹波为通过前级第一电感L1和前级第二电感L2的电感电流变化量的和。优选地，前级未滤波输入电流的纹波能够通过前级输入电容C_in进行滤波，形成前级滤波后输入电流的纹波，前级滤波后的输入电流的纹波小于前级未滤波输入电流的纹波。

前级输入电容C_in用于对输入直流电压进行稳压和滤波并对输入电流进行稳流，前级第一电容C1、前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6用于对前级升压电路的输出电压进行稳压和滤波并对输出电流进行稳流。第一镜像电路的第一电容C_x1、第二电容C_x2、第三电容C_x3用于对第一镜像电路的输出电压进行稳压和滤波并对输出电流进行稳流。第二镜像电路的第一电容C_y1、第二电容C_y2和第三电容C_y3用于对第二镜像电路的输出电压输出电压进行稳压和滤波并对输出电流进行稳流。后级第一输出电容C_out1和后级第二输出电容C_out2用于对后级升压电路的输出直流电压V_out进行稳压和滤波并对输出电流进行稳流。直流升压变换器中的电容根据体积和成本进行选择，例如可选为220μF。需要说明的是，直流升压变换器中的电容值越大，则对电路的稳流效果越好。

前级第一开关SW1和前级第一二极管D1用于对前级第一电感L1和前级第一电容C1至前级第六电容C6进行导通和截止。前级第二开关SW2和前级第二二极管D2用于对前级第二电感L2和前级第一电容C1至前级第六电容C6的导通和截止。后级第一开关SW3用于对后级第一电感L3与第一镜像电路的第一电容C_x1至第三电容C_x3的导通和截止。后级第二开关SW4用于对后级第二电感L4与第二镜像电路的第一电容C_y1至第三电容C_y3的导通和截止。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。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。

后级升压电路中，后级第一电感L3的电感量与后级第二电感L4的电感量相同，后级第一电感L3的电感量与后级第二电感L4的电感量的大小可以通过公式5:V_c＝L_h×△i_h/D_h进行初步选择，其中△i_h为流过后级升压电路中其中一个电感的电流变化量，D_h为后级升压电路中后级第一开关SW3或者后级第二开关SW4的导通时间。当△i_h、D_h以及中间电压V_c已知时，则能够初步计算出后级第一电感L3与后级第二电感L4的电感值L_h。后级电感L3和L4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各自后级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。后级第一电感L3的后级未滤波输入电流的纹波能够通过第一镜像电路的第一电容C_x1、第二电容C_x2、第三电容C_x3进行滤波。后级第二电感L4的后级未滤波输入电流的纹波能够通过第二镜像电路的第一电容C_y1、第二电容C_y2和第三电容C_y3进行滤波。后级滤波后的输入电流的纹波小于后级未滤波输入电流的纹波。

前级升压电路中，当前级第一开关SW1闭合时，前级第一电感L1的输入端为输入电压V_in，前级第一电感L1的输出端为地电压，此时输入电压V_in给前级第一电感L1充电，当前级第一开关SW1由闭合变为断开时，由于前级第一电感L1存在电磁感应会产生感应电动势，前级第一电感L1的感应电动势的方向为阻止前级第一电感电感电流变化的方向，当前级第一开关SW1断开时，前级第一电感L1中的电流是减小的，所以前级第一电感L1的感应电动势的方向是阻止前级第一电感电感电流减小的方向，前级第一电感L1的感应电动势产生的电压为：前级第一电感L1的输出端的电压高于输入端的电压但由于前级第一电感L1的输入端为入电压V_in，所以前级第一电感L1输出端的电压大于V_in，此时能量流过前级第一二极管D1，经过前级第一电容C1、前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6的滤波作用后可以得到电压Vc。前级第二电感L2与前级第二开关SW2、前级第二二极管D2以及前级第一电容C1、前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6之间的工作原理跟前级第一电感L1与前级第一开关SW1、前级第一二极管D1、前级第一电容C1、前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6之间的工作原理相同，起到并联分流的作用。

第一镜像电路中后级第一电感L3与后级第一开关SW3、后级第一二极管D3和第一镜像电路的第一电容C_x1、第二电容C_x2以及第三电容C_x3之间的工作原理跟前级第一电感L1与前级第一开关SW1、前级第一二极管D1、前级第一电容C1、前级第二电容C2、前级第三电容C3、前级第四电容C4、前级第五电容C5以及前级第六电容C6之间的工作原理相同。第二镜像电路中，后级第二电感L4与后级第二开关SW4、后级第二二极管D4、第二镜像电路的第一电容C_y1、第二电容C_y2和第三电容C_y3之间的工作原理如下：当后级第二开关SW4闭合时，中间电压V_c对后级第二电感L4充电，此时后级第二电感L4的输入端的电压大于输出端的电压。当后级第二开关SW4断开时，由于电磁感应的存在，在后级第二电感L4两侧产生感应电压，使得后级第二电感L4的输出端的电压大于输入端的电压，后级第二电感L4输出端的电压为零电压，因而后级第二电感L4输入端的电压为负电压。当后级第二开关SW4断开时后级第二二极管D4导通，后级升压电路的输入电流通过第二镜像电路的第一电容C_y1、第二电容C_y2和第三电容C_y3、后级第二二极管D4以及后级第二电感L4流入大地。

该电路拓扑使得所用元器件的电应力最小，并且可以满足输入输出大变比的需求。采用这种前级升压电路后，后级升压电路后级镜像的电路可以进一步增加输入电流等级且提高输出电压。

Claims (11)

1.一种用于串联型氢燃料电池的直流升压变换器，包括串联的前级升压电路和后级升压电路，前级升压电路用于将输入电压升压到中间电压,后级升压电路用于将中间电压升高到输出电压，前级升压电路中，输入电压的两端跨接有前级输入电容，前级第一电感和串联的前级第一开关端跨在输入电压的两端，前级第一电感与串联的前级第一二极管和前级输出电容跨接在输入电压的两端，前级第二电感和串联的前级第二开关端跨在输入电压的两端，前级第二电感和串联的前级第二二极管和前级输出电容跨在输入电压的两端，后级升压电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，第一镜像电路和第二镜像电路以镜像方式跨接在中间电压两端，第一镜像电路中，后级第一电感与串联的后级第一开关跨接在中间电压的两端，后级第一电感与串联的后级第一二极管和第一镜像电路的输出电容跨接在中间电压的两端；第二镜像电路中，后级第二电感与串联的后级第二开关跨接在中间电压的两端，后级第二电感与串联的后级第二二极管和第二镜像电路的输出电容跨接在中间电压的两端。

2.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，后级升压电路通过后级输出电容输送输出电压。

3.如权利要求2所述的直流升压变换器，其特征在于，后级升压电路通过并联的后级第一输出电容和后级第二输出电容来输送输出电压。

4.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，前级升压电路包括并联的六个前级输出电容，跨接在中间电压两端。

5.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，第一镜像电路包括三个并联的输出电容，跨接在输出电压正极与中间电压负极之间。

6.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，第二镜像电路包括三个并联的输出电容，跨接在中间电压正极与输出端负极之间。

7.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，输出电压通过公式：V_out/V_in＝1/(1-D_q1)×(1+D_h3)/(1-D_h3)进行计算,其中V_in为输入电压，V_out为输出电压，D_q1为前级第一开关的占空比，前级第二开关的占空比与前级第一开关的占空比相等，D_h3为后级第一开关的占空比，后级第二开关的占空比与后级第一开关的占空比相等。

8.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，前级第一电感的电感量与前级第二电感的电感量相同，前级第一电感的电感量与前级第二电感的电感量的大小L_q通过公式:V_in＝L_q×Δi_q/D_q进行初步选择，其中V_in为输入电压，Δi_q为流过其中一个电感的电感电流变化量，D_q为前级升压电路中前级开关的导通时间。

9.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，后级第一电感的电感量与后级第二电感的电感量相同，后级第一电感的电感量与后级第二电感的电感量的大小L_h通过公式:V_c＝L_h×Δi_h/D_h进行初步选择，其中V_c为中间电压，Δi_h为流过后级升压电路中其中一个电感的电流变化量，D_h为后级升压电路中后级开关的导通时间，中间电压通过公式：V_c/V_in＝1/(1-D_q1)进行计算，V_in为输入电压，D_q1为前级第一开关的占空比，前级第二开关的占空比与前级第一开关的占空比相等。

10.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，直流升压变换器中各个电容根据体积和成本进行选择,直流升压变换器中各个电容为220μF。

11.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，直流升压变换器中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。