一种燃料电池汽车升降压型DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池车用升降压型DC‑DC变换器，连接于燃料电池系统与直流母线之间，包括主电路和控制电路。主电路由功率开关器件(IGBT)、功率二极管、电感器和电容器构成。控制电路由反馈控制系统、PWM驱动电路以及保护电路构成。DSP系统对传感器采集的电流信号进行PI闭环控制得到PWM驱动信号输出给IGBT，控制IGBT的开关状态，进而控制DC‑DC变换器的输出电压。本发明专利技术主要解决燃料电池汽车动力系统中燃料电池与直流母线电压匹配时同时具有升降压需求的问题。当燃料电池电压低于直流母线电压时，DC‑DC变换器运行在升压模式；当燃料电池电压高于直流母线电压时，DC‑DC变换器运行在降压模式。本发明专利技术提出的DC‑DC变换器属于非隔离型DC‑DC变换器，具有工作高效的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池车用升降压型DC-DC变换器，该变换器的作用是解决燃料电池动力系统的电压解耦和功率控制的问题。
技术介绍
新能源汽车被认为是未来汽车的发展趋势，而燃料电池汽车的高效和零排放优势使得其研发成为我国汽车工业的重点发展对象。燃料电池动力系统是燃料电池研发的重点。通常情况下，燃料电池动力系统主要由燃料电池系统(包括燃料电池电堆、燃料电池辅助设备以及燃料电池控制器等)、汽车电力电子装置(如DC-DC变换器、逆变器、电子开关等)、辅助动力源(如蓄电池或者超级电容器)及其管理系统、电机机器控制器等组成。辅助动力源具备可充放电能力，弥补燃料电池峰值功率输出能力差以及不能回收制动能量等缺点。具体的燃料电池动力系统如图1所示。在图1所示燃料电池动力系统中，燃料电池输出与DC-DC变换器相连接，DC-DC变换器的输出端与直流母线相连接。辅助动力源(如蓄电池或者超级电容器)并联接在直流母线上。DC-DC变换器的主要作用是对整个燃料电池动力系统的电压解耦和功率控制，从而达到控制燃料电池输出的目的。当燃料电池电压低于母线电压时，DC-DC变换器运行在升压模式；当燃料电池电压高于母线电压时，DC-DC变换器运行在降压模式。但是当前燃料电池汽车存在这样的问题，即燃料电池汽车动力系统中燃料电池电压与直流母线电压匹配时既有升压需求也有降压需求的问题，所以需要能够同时实现升降压功能的DC-DC变换器来满足这样的需求。现在已经有部分DC-DC变换器可以同时实现升降压功能，比如Buck-Boost变换器、双管级联DC-DC变换器以及隔离型DC-DC变换器等。然而现有的具备升降压功能的DC-DC变换器存在如下缺点：1)功率器件数量多，结构复杂，实际应用中控制难度较大，升降压模式之间切换会引起较大的电压尖峰和电流纹波；2)功率开关器件损耗大，导致DC-DC变换器效率偏低；3)现有升降压型DC-DC变换器多处在理论仿真和小功率试验阶段，在汽车中的应用还达不到复杂、多变工况的要求；4)控制难度大使得现有升降压型DC-DC变换器的稳定性和可靠性比较低；5)隔离型DC-DC变换器由于有变压器环节，工作效率较低。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种升降压型DC-DC变换器。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种升降压型DC-DC变换器用于车用燃料电池系统中，可以实现对燃料电池系统输出电压的升压调节和降压调节。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种燃料电池车用升降压型DC-DC变换器，包括主电路和控制电路。主电路包括两个功率开关器件(IGBT)，四个二极管，两个电感器和四个电容器。所述功率开关器件(IGBT)在主电路中接受控制电路的PWM驱动信号而决定工作在开通或者关断状态，从而完成DC-DC变换器升降压的功能。所述电感器在主电路中作为储能器件工作，在功率开关器件(IGBT)不同的工作状态决定存储或者释放能量。所属电容器在主电路中主要起储能和滤波的作用，保证主电路传输信号的误差在可接受范围之内。所述的控制电路由反馈控制系统，PWM驱动电路以及保护电路构成。所述反馈控制系统包括传感器，DSP系统以及辅助电源。传感器实时采集主电路的电感器电流信号，DSP系统对电流信号进行PI闭环控制得出PWM驱动信号，与PWM驱动电路相连接。PWM驱动电路的输出与功率开关器件(IGBT)的门极相连接，输出PWM驱动信号给功率开关器件(IGBT)，控制功率开关器件(IGBT)的开关状态，进而控制所述DC-DC变换器的输出电压。所述保护电路通过比较器对比DSP系统输出的PWM信号与参考信号，从而决定是否输出PWM驱动信号给功率开关器件(IGBT)的门极，达到保护功率开关器件(IGBT)的作用。进一步地，降压模式时功率开关器件S1根据PWM驱动信号工作在开关状态，而S2完全关闭；升压模式时功率开关器件S1一直导通，而S2根据PWM驱动信号工作在开关状态。本专利技术针对多变的车用工况，采用大容量的功率器件、高频开关技术以及全新的电路拓扑结构设计，提出一种燃料电池车用升降压型DC-DC变换器，其相比现有技术有以下优点：1)本专利技术的燃料电池车用DC-DC变换器通过采用大容量的功率器件、高频开关技术以及全新的拓扑结构设计，保证了DC-DC变换器在大功率车用条件下工作的可靠性；2)采用误差信号作为反馈量输入反馈控制系统，从而获得PWM驱动信号，用于控制功率开关器件(IGBT)的开关状态，得到高功率密度和高变换频率是效果；3)利用DSP系统处理控制信号，取代了现有技术中的利用模拟器产生信号的方式，节省成本，提高了效率；4)通过增加限流保护和短路保护模块，在主电路发生过流或者短路的情况下，限制或者关闭PWM占空比，保证DC-DC变换器工作在安全模式下，提高系统的可靠性。附图说明图1是车用燃料电池动力系统结构框图。图2是本专利技术提出的DC-DC变换器电路示意图。具体实施方式下面结合示意图对本专利技术提出的DC-DC变换器的具体实施方式进行更详细的描述。如图1和图2所示，本实例提供了一种燃料电池车用DC-DC变换器，包括：如图2所示，DC-DC变换器主电路，包括第一功率开关器件(IGBT)S1和第二功率开关器件(IGBT)S2，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3第四二极管D4，第一电感器L1和第一电感器L2以及第一电容器C1，第二电容器C2，第三电容器C3，第四电容器C4和第五电容器C5。所述第一功率开关器件(IGBT)S1的集电极分别与输入端的正极和所述第三二极管D3的阴极相连接，发射极分别与所述第一二极管D1的阴极、所述第三二极管D3的阳极以及所述第一电感器L1的一端相连接。所述第二功率开关器件(IGBT)S2的集电极分别与输入端的正极、所述第四二极管D4的阴极以及所述第二电容器C2的一端相连接，发射极分别与所述第二电感器L2的一端、所述第二二极管D2的阴极以及所述第四二极管D4的阳极相连接。所述第一二极管D1的阳极分别与输入端的负极以及所述第一电容器C1的一端相连接，所述第二二极管D2的阳极与所述第二电容器C2的另一端相连接。所述第一电感器L1的另一端与所述第一电容器C1的另一端相连接，所述第二电感器L2的另一端与输入端的负极相连接。所述第三电容器C3的一端与输入端的正极相连接，另一端与输入端的负极相连接。所述第四电容器C4的一端与输出端的正极相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池车用升降压型DC‑DC变换器，其特征在于,它由主电路和控制电路组成；主电路包括两个功率开关器件(IGBT)，四个二极管，两个电感器和四个电容器。所述第一功率开关器件的集电极分别与输入端正极和所述第三二极管的阴极相连接，发射极分别与所述第一二极管的阴极、所述第三二极管的阳极以及所述第一电感器的一端相连接。所述第二功率开关器件(IGBT)的集电极分别与输入端正极、所述第四二极管的阴极以及所述第二电容器的一端相连接，发射极分别与所述第二电感器的一端、所述第二二极管的阴极以及所述第四二极管的阳极相连接。所述第一二极管的阳极分别与输入端负极以及所述第一电容器的一端相连接，所述第二二极管的阳极与所述第二电容器的另一端相连接。所述第一电感器的另一端与所述第一电容器的另一端相连接，所述第二电感器的另一端与输入端负极相连接。所述第三电容器的一端与输入端正极相连接，另一端与输入端负极相连接。所述第四电容器的一端与输出端正极相连接，另一端与输出端负极相连接。所述的控制电路由反馈控制系统，PWM驱动电路以及保护电路构成。所述反馈控制系统包括传感器，DSP系统以及辅助电源。传感器实时采集主电路的电感器电流信号，DSP系统对电流信号进行PI闭环控制,得出PWM驱动信号，与PWM驱动电路相连接。PWM驱动电路的输出与功率开关器件(IGBT)的门极相连接，输出PWM驱动信号给功率开关器件(IGBT)，控制功率开关器件(IGBT)的开关状态，进而控制所述DC‑DC变换器的输出电压。所述保护电路通过比较器对比DSP系统输出的PWM信号与参考信号，从而决定是否输出PWM驱动信号给功率开关器件(IGBT)的门极，达到保护功率开关器件(IGBT)的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池车用升降压型DC-DC变换器，其特征在于,它由主电路和
控制电路组成；
主电路包括两个功率开关器件(IGBT)，四个二极管，两个电感器和四个电
容器。所述第一功率开关器件的集电极分别与输入端正极和所述第三二极管的
阴极相连接，发射极分别与所述第一二极管的阴极、所述第三二极管的阳极以
及所述第一电感器的一端相连接。所述第二功率开关器件(IGBT)的集电极分
别与输入端正极、所述第四二极管的阴极以及所述第二电容器的一端相连接，
发射极分别与所述第二电感器的一端、所述第二二极管的阴极以及所述第四二
极管的阳极相连接。所述第一二极管的阳极分别与输入端负极以及所述第一电
容器的一端相连接，所述第二二极管的阳极与所述第二电容器的另一端相连接。
所述第一电感器的另一端与所述第一电容器的另一端相连接，所述第二电感器
的另一端与输入端负极相连接。所述第三电容器的一端与输入端正极相连接，
另一端与输入端负极相连接。所述第四电容器的一端与输出端正极相连接，另<...

【专利技术属性】
技术研发人员：高大威，刘劼勋，王跃，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11