一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法技术

一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域，为了解决本申请的DC/DC变换器结构包括电容和变换单元，变换单元包括第一电感、导通二极管、第二电感，依次串联连接的燃料电池、第一电感、导通二极管、电容和第二电感形成回路，燃料电池的正极端通过第一开关管连接电容和第二电感之间，燃料电池的负极端通过第二开关管连接第一电感和导通二极管之间；本发明专利技术实现高升压比、减少了电子元器件、提高了转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法
本申请所描述的直流变换器及其控制方法，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域。尤其是涉及一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法。
技术介绍
随着新能源汽车的推广，燃料电池汽车以其能量转换效率高、零污染排放、加氢时间短和续航里程长的优点受到广泛重视。但燃料电池的输出电压范围宽、动态相应慢等缺点无法满足整车的动力需求，因此通常在燃料电池的输出端与直流母线之间附加DC/DC(直流/直流)变换器。该变换器的功能是保证燃料电池输出电压宽范围变化时与直流母线电压相匹配，同时保证较小的纹波。因此，燃料电池汽车DC/DC变换器在满足高升压比、高效率等功能的同时，还应尽量降低成本、提高稳定性与功率密度。当前燃料电池汽车DC/DC变换器的研究主要集中在隔离式与非隔离式拓扑上。隔离式拓扑因为有耦合变压器的存在，导致其体积大、成本高、效率相对较低；传统的非隔离升压拓扑(如boost、buck-boost等)虽然动态相应好、效率高，但是由于升压比低不能满足直流母线高电压平台的需求；采用传统非隔离拓扑级联组成的DC/DC变换器存在着效率低、成本高等缺点。
技术实现思路
相应地，本专利技术的实施例供这样的DC/DC变换器结构及其控制方法，其在实现高升压比的同时，减少了电子元器件，从而提高了转换效率、提升了功率密度和降低了成本。一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元、燃料电池、负载和DC/DC变换器电路，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载跨接在DC/DC变换器电路的输出端，DC/DC变换器结构包括电容和变换单元，变换单元包括第一电感、导通二极管、第二电感，依次串联连接的燃料电池、第一电感、导通二极管、电容和第二电感形成回路，燃料电池的正极端通过第一开关管连接电容和第二电感之间，燃料电池的负极端通过第二开关管连接第一电感和导通二极管之间。进一步的，所述第一电感和第二电感的电感值相同。进一步的，所述DC/DC变换器电路包括至少两个并联连接的变换单元。进一步的，不同变换单元中的电感值均相同。进一步的，所述控制单元的包括电压传感器、电流传感器、DSP模块和隔离驱动模块。一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，包括有以下步骤：a.设定参考电压Uref；b.电压传感器采集燃料电池的输入电压Uin和DC/DC变换器电路的输出电压UC1，电流传感器采集变换单元的电感电流，并进行数模转换；c.将电压值UC1与参考电压Uref比较，得到的误差信号e1送入电压环PI控制器进行处理得到期望电感电流I′L1；d.将步骤c得到的期望电感电流IL′1，与反馈的电感电流IL1比较得到误差信号e2送入电流环PI控制器中得到占空比d，根据不同的占空比调节PWM波一个周期中ton和toff的时间，具体的；在ton时间段，第一开关管和第二开关管导通，此时，燃料电池通过第一开关管和第二开关管对第二电感和第一电感充电，电容向负载供电；在toff时间段，第一开关管和第二开关管关断，第一电感、第二电感和燃料电池串联向负载供电，同时向电容充电；e.电流环PI控制器输出的占空比d与前馈控制器输出的信号求和处理后送入第一传递函数中得到调整后的IL1；f.将步骤e中得到的IL1作为第二传递函数的输入量得到调整后的输出电压UC1。。所述第一传递函数为占空比d到电流IL1的传递函数，具体如下式：式中，s代表复变量，R代表负载阻值；所述第二传递函数为IL1到输出电压UC1的传递函数，具体如下式：所述第一传递函数和第二传递函数的确定方法包括：构建在完整的PWM周期内DC/DC变换器电路的状态空间平均方程；引入扰动小信号，即用IL1+IL1、UC1+UC1、Uin+Uin和d+d带入方程上述状态空间平均方程中，得到DC/DC变换器电路的小信号模型；对得到的小信号模型进行拉普拉斯变换并化简，得到第一传递函数和第二传递函数。本专利技术专利提出了一种非隔离DC/DC变换器的结构，在实现高升压比的同时，减少了电子元器件，从而提高了转换效率、提升了功率密度和降低了成本。同时，本专利技术专利针对提出的拓扑进行分析，利用状态空间平均法建立了数学模型，并给出了对应的控制方法，能够满足燃料电池汽车动力系统的动态响应要求与保证直流母线电压在燃料电池宽范围输出时的稳定性，本专利技术的所用电子元器件较少，成本相对不高，且体积质量较同等升压等级的其他升压装置(级联非隔离升压装置、隔离升压装置)有所减小，易于实现模块化，提高功率密度和能量密度，燃料电池与直流母线之间没有隔离装置，提高了变换器效率。两个基本拓扑并联使用并采用180°移相控制时，燃料电池的电流波动很小，有利于延长燃料电池的使用寿命。控制系统采用电流电压双闭环控制，有利于提升动态相应与系统的稳定性，引入输入电压的前馈控制，可以抵消输入电压宽范围变化时对输出电压的扰动并实现软启动。附图说明图1示出了根据本专利技术的一个实施例的变换单元的电路结构示意图；图2示出了根据本专利技术的实施例的整体结构框图；图3示出了根据本专利技术实施例的控制单元的原理图；图4示出了根据本专利技术的实施例的DC/DC变换器电路在ton时段工作时的等效电路图；图5示出了根据本专利技术的实施例的DC/DC变换器电路在toff时段工作时的等效电路图。图6示出了根据本专利技术的实施例的输出电压波形图，图6a为整体波形图，图6b为图6a的放大视图；图7示出了根据本专利技术的实施例的输出电流波形图，图7a为整体波形图，图7b为图6a的放大视图；图8示出了根据本专利技术的实施例的电感电流波形图，图8a为整体波形图，图8b为图6a的放大视图；图9示出了基于传统的单相基本拓扑的变换器输出电压波形图，图9a为整体波形图，图9b为图9a的放大视图；图10示出了基于传统的单相基本拓扑的变换器输出电流波形图，图10a为整体波形图，图10b为图10a的放大视图；图11示出了基于传统的单相基本拓扑的变换器输出电感电流波形图，图11a为整体波形图，图11b为图11a的放大视图。具体实施方式本实施例的一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，如图2所示，包括控制单元B和由燃料电池、负载R和DC/DC变换器电路构成的主电路A，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载R跨接电容C1的两端，DC/DC变换器结构包括电容C1和两个变换单元，如图1所示，变换单元包括第一电感L1、导通二极管、第二电感L2，依次串联连接的燃料电池、第一电感L1、导通二极管、电容C1和第二电感L2形成回路，燃料电池的正极端通过第一开关管S1连接电容C1和第二电感L2之间，燃料电池的负极端通过第二开关管S2连接第一电感L1和第一导通二极管D1之间；另一变换单元包括第三电感L3、第四电感L4、第三开关管S3、第四开关管S4、第二导通二极管D2和第三导通二极管D3；所述控制单元的包括电压传感器、电流传感器、DSP模块和隔离驱动模块，电压传感器的输入单连接燃料电池的盒DC/DC变换器电路的输出端，电流传感器的输入端连接其中一个电感，电压传感器的输出端和电流传感器的输出端连接DSP模块，DSP模块的通过隔离驱动模块控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的导通和关断，具体如图2所示；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元、燃料电池、负载和DC/DC变换器电路，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载跨接在DC/DC变换器电路的输出端，其特征在于：DC/DC变换器结构包括电容和变换单元，变换单元包括第一电感、导通二极管、第二电感，依次串联连接的燃料电池、第一电感、导通二极管、电容和第二电感形成回路，燃料电池的正极端通过第一开关管连接电容和第二电感之间，燃料电池的负极端通过第二开关管连接第一电感和导通二极管之间。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元、燃料电池、负载和DC/DC变换器电路，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载跨接在DC/DC变换器电路的输出端，其特征在于：DC/DC变换器结构包括电容和变换单元，变换单元包括第一电感、导通二极管、第二电感，依次串联连接的燃料电池、第一电感、导通二极管、电容和第二电感形成回路，燃料电池的正极端通过第一开关管连接电容和第二电感之间，燃料电池的负极端通过第二开关管连接第一电感和导通二极管之间。2.根据权利要求1所述一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述第一电感和第二电感的电感值相同。3.根据权利要求1所述一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述DC/DC变换器电路包括至少两个并联连接的变换单元。4.根据权利要求3所述一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：不同变换单元中的电感值均相同。5.根据权利要求1所述一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述控制单元的包括电压传感器、电流传感器、DSP模块和隔离驱动模块。6.一种燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，其特征在于：包括有以下步骤：a.设定参考电压Uref；b.电压传感器采集燃料电池的输入电压Uin和DC/DC变换器电路的输出电压UC1，电流传感器采集变换单元的电感电流，并进行数模转换；c.将电压值UC1与参考电压Uref比较，得到的误差信号e1送入电压环PI控制器进行处理得到期望电感电流I′L1；d.将步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓刚，石文文，于渤洋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23