CN210225255U - 一种车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开一种车用燃料电池直流‑直流变换器及车辆动力系统，涉及车辆动力系统技术领域。包括：逆变电路、隔离变压电路及整流电路，所述逆变电路的输入端与燃料电池的输出端连接，用于将燃料电池输出的直流电转变成交流电，所述隔离变压电路的输入端与逆变电路的输出端连接，用于隔离变压电路原边输入侧的电路与副边输出侧的电路隔绝，所述整流电路的输入端与隔离变压电路输出端连接，用于将所述交流电转变为直流电输出。本实用新型适用于新能源电动车辆中。
Description
技术领域
本实用新型涉及车辆动力系统技术领域，尤其涉及一种车用燃料电池直流- 直流变换器及车辆动力系统。
背景技术
直流-直流变换器(DC/DC变换器)在氢动力系统中属于关键部件，起着至关重要的作用。由于燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电驱系统匹配，在燃料电池加载过程中，电流增大，电压下降，下降斜率比普通电池大的多。所以需要专用DC/DC将燃料电池偏软的特性通过控制将电能安全稳定的输送给动力电池及其电驱系统。
实用新型人在实现本实用新型创造的过程中发现：目前采用的非隔离DC/DC 变换器，其拓扑尽管相对简单，但是系统短路保护能力较弱。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统，可以增强系统短路保护能力。
为达到上述实用新型目的，本实用新型实施例提供的车用燃料电池直流-直流变换器，包括逆变电路、隔离变压电路及整流电路，所述逆变电路的输入端与燃料电池的输出端连接，用于将燃料电池输出的直流电转变成交流电，所述隔离变压电路的输入端与逆变电路的输出端连接，用于隔离变压电路原边输入侧的电路与副边输出侧的电路隔绝，所述整流电路的输入端与隔离变压电路输出端连接，用于将所述交流电转变为直流电输出。
可选地，所述直流-直流变换器还包括谐振调压电路，所述谐振调压电路连接于隔离变压电路与整流电路之间，用于对隔离变压器副边侧输出的具有第二电压的交流电调节至预定电压后输出至整流电路。
可选地，0＜所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比≤1；
当所述0＜所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比＜1时，所述隔离变压电路，还用于将隔离变压电路原边侧具有第一电压的交流电升压后从副边侧输出具有第二电压的交流电；所述第二电压高于第一电压。
可选地，所述谐振调压电路为与隔离变压电路串联的LLC谐振电路。
可选地，所述直流-直流变换器还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路连接在燃料电池的输出端与所述逆变电路的输入端之间，所述第一滤波电路用于滤除燃料电池输出的直流电电压中的纹波，并将过滤后的电压输出至逆变电路。
可选地，所述直流-直流变换器还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路连接在所述整流电路的输出端，用于滤除所述整流电路输出的直流电电压中的纹波。
可选地，在第一滤波电路的输入端还连接有绝缘监测电路，所述绝缘监测电路用于对燃料电池到直流-直流变换器间线路的绝缘状态进行实时监测与管理。
可选地，所述逆变电路为全桥逆变电路。
一种车辆动力系统，其特征在于，包括燃料电池堆组件、动力电池组件及第一方面任一所述直流-直流变换器，所述燃料电池堆组件与所述直流-直流变换器的输入端连接，所述直流-直流变换器的输出端与动力电池组件连接。
可选地，在所述直流-直流变换器输出端还连接有电源分配模块，所述电源分配模块输出端与所述动力电池组件连接。
本实用新型实施例提供的车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统，通过对其结构本身进行改进，由于在电路拓扑中设置了隔离变压电路，将隔离变压电路输入侧与输出侧的电路相互隔离，相当于输入侧与输出侧为两个回路，两个回路彼此间的电子元器件相互绝缘，即使其中一个回路发生短路，也不会将影响到另一个回路，由此，相对于现有的非隔离DC/DC变换器的电路拓扑，可以增强系统的短路保护能力。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型车用燃料电池直流-直流变换器一实施例方框图；
图2为本实用新型车用燃料电池直流-直流变换器另一实施例方框图；
图3为本实用新型车用燃料电池直流-直流变换器又一实施例方框图；
图4为本实用新型车用燃料电池直流-直流变换器一实施例原理图；
图5为本实用新型车用燃料电池直流-直流变换器另一实施例原理图；
图6为本实用新型车辆动力系统一实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
应当明确，为了更加清楚说明本实用新型，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本实用新型同样可以实施。另外，为了凸显本实用新型的实用新型主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本实用新型的实施。本文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为了帮助公众理解本实用新型，对相关的现有技术方案作客观、简要介绍如下：
目前，在氢动力系统中，主要采用的非隔离DC/DC变换器，其电路拓扑结构尽管简单，但是其输入端与输出端位于同一回路中，当电路拓扑中的某一部分电子元器件出现短路故障时，会影响到回路中的其他部分，系统的短路保护能力较弱。
为了解决现有技术中存在的短路保护能力较弱的问题，参看图1至图5所示，本实用新型实施例提供的车用燃料电池直流-直流变换器，适用于新能源电动车辆中，尤其适用于氢燃料电动车辆中，所述直流-直流变换器包括逆变电路、隔离变压电路及整流电路，所述逆变电路的输入端与燃料电池的输出端连接，用于将燃料电池输出的直流电转变成交流电，所述隔离变压电路的输入端与逆变电路的输出端连接，用于隔离变压电路原边输入侧的电路与副边输出侧的电路隔绝，所述整流电路的输入端与隔离变压电路输出端连接，用于将所述交流电转变为直流电输出。
其中，逆变电路可以为全桥逆变电路，也可以采用半桥逆变电路。
参看图4及图5所示，本实施例中选用全桥逆变电路，相对半桥逆变电路而言，全桥逆变电路的开关电流减小了一半，可以适用于大功率场合。
本实用新型实施例提供的车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统，通过对其结构本身进行改进，由于在电路拓扑中设置了隔离变压电路，将隔离变压电路输入侧与输出侧的电路相互隔离，相当于输入侧与输出侧为两个回路，两个回路彼此间的电子元器件相互绝缘，即使其中一个回路发生短路，也不会将影响到另一个回路，由此，相对于现有的非隔离DC/DC变换器的电路拓扑，可以增强系统的短路保护能力，在出现极端短路故障时，可以保护锂电池及燃料电池。
为了进一步地说明本实用新型的技术效果，介绍两个术语，绝缘电阻，绝缘介质所具有的电阻值，是衡量介质绝缘性能好坏的物理量，在常见的测量方式中，则表现为带电器件与壳体、大地等参考平台之间的电阻值；漏电流：谈电气系统绝缘性能时，所指漏电流是系统内流过绝缘材料表面的电流，数值越大，说明系统绝缘性能越差。
根据GB-T18384-2015电动汽车安全要求中规定，绝缘电阻最低要求阈值：直流100Ω/V，交流500Ω/V，现有的燃料电池整车系统的绝缘电阻阻值容易降低至所述绝缘电阻最低要求阈值(例如500Ω/V)，从而容易触发报警问题；而且，整车动力系统漏电流较大。本实施例则由于增加了隔离变压电路，将DCDC 变换器输入侧的燃料电池输出的电压较低的直流电与输出侧的整车高压电(连接有交流驱动电机)进行物理隔离，由此，DCDC变换器输入侧处于燃电系统较低的直流电压电回路中，绝缘电阻易于实现远高于绝缘阈值(例如100Ω/V)的要求，采用本实施例的直流-直流变换器的车辆，由于将DCDC变换器输入侧的燃料电池输出的电压较低的直流电与输出侧的整车高压电(连接有交流驱动电机)进行物理隔离，其整车漏电流较小。相应地，电阻会升高，乃至无穷大，电阻很难降低至安全要求中界定的绝缘电阻阈值，从而解决了现有技术中容易触发报警，可能引起人体触电安全的技术问题。因此，采用本实施例的车用燃料电池直流-直流变换器的车辆系统绝缘性能较好。
在本实用新型的一个实施例中，0＜所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比≤1。
其中，隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比等于1时，输出侧的电压为源电压。而当隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比小于1时，可以实现源电压的升压输出，可实现较高的升压比。
可以理解的是，隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比越小，即副边侧比原边侧圈数越多，升压比也就越大。
另外，燃料电池输出的电能要稳定地输出给动力电池组件或其他负载，当所述0＜所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比＜1时，将原边侧具有第一电压的交流电升压后从副边侧输出具有第二电压的交流，需要根据动力电池组件及其他负载的实际工作状况，将待输出的升压后的交流电调节到预定的电压范围内。
因此，作为一可选实施例，所述隔离变压电路，还用于将隔离变压电路原边侧具有第一电压的交流电升压后从副边侧输出具有第二电压的交流电；所述第二电压高于第一电压。
在一个实施例中，所述直流-直流变换器还包括谐振调压电路，所述谐振调压电路连接于隔离变压电路与整流电路之间，用于对副边侧输出的具有第二电压的交流电调节至预定电压后输出至整流电路。
其中，所述谐振调压电路为与隔离变压电路串联的LLC谐振电路，是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路，用于实现调频调压。
在本实用新型的一个实施例中，所述逆变电路的输入端还连接有第一滤波电路，所述第一滤波电路用于滤除燃料电池输出的直流电电压中的纹波，并将过滤后的电压输出至逆变电路。
可以理解的是，理想的恒压电源，即直流电源，其电源出口处不需要滤波；但是，由于到逆变电路的输入端之间连接有导线，因此，在电流传输过程中，就可能存在不理想因素而产生纹波。因此，本实施例通过在逆变电路输入端设置第一滤波电路，可以滤除燃料电池输出的直流电电压中可能存在的纹波，输出较稳定的直流电至逆变电路，以便于逆变电路转换为交流电。
在本实用新型的再一个实施例中，所述直流-直流变换器还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路连接在所述整流电路的输出端，用于滤除所述整流电路输出的直流电电压中的纹波。通过第二滤波滤除直流电中的纹波，可以输出较高且稳定的直流电，供给后端动力电池组件及其电驱系统，以提供较为稳定的动力源。
其中，第一滤波电路及第二滤波电路可以为电感电容滤波电路，即LC滤波电路，其中电感线圈用于通直流、阻交流，以滤除电路中的交流成分的纹波，输出较为纯净的直流电流。
参看图3及图5所示，在本实用新型的又一个实施例中，在第一滤波电路的输入端还连接有绝缘监测电路，所述绝缘监测电路用于对燃料电池到直流-直流变换器间线路的绝缘状态进行实时监测与管理。
本实施例通过在第一滤波电路输入端连接有绝缘监测电路，相当于在燃料电池DC/DC变换器中集成了绝缘检测仪的功能，可以实时检测绝缘电阻值，而且可以节省占用整车空间的成本。
另外，本实用新型实施例还提供一种车辆动力系统，包括燃料电池堆组件、动力电池组件及前述任一实施例中所述的直流-直流变换器，所述燃料电池堆组件与所述直流-直流变换器的输入端连接，所述直流-直流变换器的输出端与动力电池组件连接。
其中，参看图6所示，燃料电池堆组件包括燃料电池堆(Fuelcell stack) 及燃料电池辅助控制系统(BOP)。
本实施例提供的车辆动力系统，由于采用了前述的燃料直流-直流变换器，整车动力系统绝缘性能较好，几乎不受燃料电池堆的影响，可以实现燃料直流- 直流变换器输入侧及输出侧的多模块并联；进一步地，燃料电池堆组件及所述的直流-直流变换器可以组合成一个整体的功能模块，车辆动力系统可以具有一套或多套该功能模块，其中，当具有多套所述功能模块时，各套所述功能模块间并联连接，可以进一步提高整车动力系统的绝缘性能，从而可有效适用于不同的应用场合；进一步地，可以实现高升压比，以适应更多的电压平台；进一步地，由于将直流-直流变换器输入与输出侧的电路回路隔离，形成相互隔离的两个回路，相互之间不受影响，具有较好的短路保护性能，在出现极端短路故障时，可以保护锂电池及燃料电池。
另外，由于集成了绝缘检测仪的功能，可以实时检测绝缘电阻值，而且可以节省占用整车空间的成本。
DC/DC变换器输入端集成绝缘检测仪，所述绝缘监测仪可通过车辆上的CAN(Controller Area Network，CAN)总线与整车控制系统(VCU，Vehicle Control Unit)通信，相关人员可通过整车控制器设置绝缘电阻的安全阈值，同时可读取绝缘监测仪检测到的实时绝缘电阻值。
参看图6所示，在另一个实施例中，在所述直流-直流变换器输出端还连接有电源分配模块(PDU，Power Distribution Unit)，俗称高压配电箱，所述电源分配模块用于向车辆上的用电设备，例如空调等及储能设备，例如动力电池组件，分配及管理电源，所述电源分配模块输出端至少与所述动力电池组件连接，向动力电池组件分配安全稳定的电能。其中，动力电池组件包括动力电池及其电驱系统。
需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种车用燃料电池直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器包括逆变电路、隔离变压电路及整流电路，所述逆变电路的输入端与燃料电池的输出端连接，用于将燃料电池输出的直流电转变成交流电，所述隔离变压电路的输入端与逆变电路的输出端连接，用于隔离变压电路原边输入侧的电路与副边输出侧的电路隔绝，所述整流电路的输入端与隔离变压电路输出端连接，用于将所述交流电转变为直流电输出。
2.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器还包括谐振调压电路，所述谐振调压电路连接于隔离变压电路与整流电路之间，用于对隔离变压器副边侧输出的具有第二电压的交流电调节至预定电压后输出至整流电路。
3.根据权利要求2所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述谐振调压电路为与隔离变压电路串联的LLC谐振电路。
4.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，0<所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比≤1；
当所述0<所述隔离变压电路原边侧与副边侧的线圈匝比<1时，所述隔离变压电路，还用于将隔离变压电路原边侧具有第一电压的交流电升压后从副边侧输出具有第二电压的交流电；所述第二电压高于第一电压。
5.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路连接在所述逆变电路的输入端，用于滤除燃料电池输出的直流电电压中的纹波，并将过滤后的电压输出至逆变电路。
6.根据权利要求1至5任一所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路连接在所述整流电路的输出端，用于滤除所述整流电路输出的直流电电压中的纹波。
7.根据权利要求5所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器还包括绝缘监测电路，所述绝缘监测电路连接在所述第一滤波电路的输入端用于对燃料电池到直流-直流变换器间线路的绝缘状态进行实时监测与管理。
8.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路。
9.一种车辆动力系统，其特征在于，包括燃料电池堆组件、权利要求1至8任一所述直流-直流变换器及动力电池组件，所述燃料电池堆组件与所述直流-直流变换器的输入端连接，所述直流-直流变换器的输出端与动力电池组件连接。
10.根据权利要求9所述的车辆动力系统，其特征在于，在所述直流-直流变换器输出端还连接有电源分配模块，所述电源分配模块输出端与所述动力电池组件连接。
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| CN110417272A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-11-05 | 北京动力源新能源科技有限责任公司 | 一种车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统 |
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2019
- 2019-07-24 CN CN201921179913.9U patent/CN210225255U/zh active Active
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| CN110417272A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-11-05 | 北京动力源新能源科技有限责任公司 | 一种车用燃料电池直流-直流变换器及车辆动力系统 |
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