本发明专利技术公开了一种适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器及控制方法，三端口变换器包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；控制方法包括根据负载功率和锂电池的荷电状态，使三端口变换器在四种工作模式中切换工作；并对控制三端口变换器的控制器设计了输出控制方程，还加入滤波模块以实现对负载功率的动态功率分配。本发明专利技术提供的三端口变换器电路结构较为简洁，调控相对简单，通过对四个开关管的控制，实现了对燃料电池、锂电池和负载三者之间的能量管理与控制，提高了动力系统功率密度和稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于利用电力电子，具体涉及一种适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器及其控制方法。
技术介绍
1、近年来，随着全球变暖等环境恶化现象的增多，各国对碳排放的指标要求愈发苛刻。作为碳排放大户的传统燃油汽车开始被淘汰，电动汽车开始成为国内外汽车研发的新重点。而燃料电池电动汽车，作为电动汽车的一种类型，由于其使用的是氢燃料电池，其原理基于氢氧反应，具有零污染、零排放、工作效率高的优点，逐渐成为汽车行业未来发展的重中之重。但是燃料电池也具有以下几点问题：首先，燃料电池的动态响应较差，单独工作无法满足负载的需求，尤其是瞬时高功率密度，当使用于汽车上时，无法应对急加速这类功率突变的情况；其次，燃料电池不支持能量的双向流动，不能吸收汽车制动过程中产生的电能，会造成一定程度上的能量的浪费。为了弥补燃料电池的这些缺陷，一般通过引入一个储能器件，比如锂电池，构成一个混合动力系统来解决。在负载瞬时突变时，锂电池负载提供突变的瞬时功率，燃料电池仅输出缓慢变化的功率；当汽车制动时，由锂电池吸收负载回馈的能量，提高能量的利用效率。
2、传统的混合动力系统一般采用多个单向或双向的两端口变换器实现能量源之间的能量传递，多个变换器通过公共直流母线相互连接。由于变换器数目多，各个变换器分时工作，系统功率密度低，体积重量大，成本高。更重要的是，燃料电池、储能器件和负载之间的功率传输都需要经过公共母线，使得系统中存在多级功率变换而降低系统能效，为了解决上述问题，研究工作者提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器实现系统的功率管理。
>3、按照各功率端口之间是否隔离来分类，三端口变换器可以分为全隔离、部分隔离和非隔离三种。其中全隔离型的所有端口都连接了变压器绕组，由变压器达到了电气隔离，通过改变变压器的匝数可灵活调节变换器的升压比，故隔离型三端口通常具有较宽的输入电压范围和较高的电压增益，但全隔离型三端口具有体积较大、成本较高、不易控制等问题。而部分隔离型三端口两输入无电气隔离，两输入与输出由变压器来实现隔离。因部分隔离型两输入端口间存在元器件复用，故所需器件更少，集成度更高，并且其保留了全隔离型宽电压范围和高电压增益的优点，但部分隔离型三端口的集成度仍然不高，难以应用到对系统体积和功率密度要求比较严格的地方。相比前两种三端口变换器，非隔离型三端口不再是基于高频变压器和桥式单元，而是基于buck、boost和cuk等基本变换器以共直流母线、共功率器件或添加功率流通路径的方式组合而成，故非隔离型三个端口元器件复用率高，所需要器件大大减少，整体成本也相应的降低。例如：吴晓刚等人在申请号为2019107573420，名称为“一种燃料电池用电动汽车三端口变换器”的中国专利申请中，提出了一种非隔离型三端口dc-dc变换器，解决了现有燃料电池汽车与直流母线间的电压匹配与稳定性和低成本无法兼容的问题，但是该变换器工作模式较为简单，只有双输入单输出模式和单输入双输出模式，没有考虑到燃料电池或锂电池出现故障、锂电池过充或过放等需要燃料电池或锂电池单独供电的情况，即单输入单输出模式，不具有普适性；此外，没有考虑汽车制动能量的回收问题，能量利用率低。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器及控制方法，以解决在一个变换器中完成多个单输入单输出变换器的功能，提高燃料电池混合动力系统的稳定性，实现动态功率分配，增加燃料电池和锂电池的使用寿命，提高系统的能量利用率等技术问题。
2、本专利技术适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；
3、燃料电池端口的正极与第一二极管的阳极相连；
4、燃料电池端口的负极、锂电池端口的负极、第一电容的负极、第三开关管的源极、第一开关管的源极、第二电容的负极和负载端口的负极相互连接；
5、第一二极管的阴极、第二开关管的漏极和第一电感的第一端连接；
6、第一电感的第二端、第一开关管的漏极和第三二极管的阳极相互连接；
7、第二开关管的源极与第二二极管的阳极相连；
8、锂电池端口的正极、第一电容的正极和第二电感的第一端相互连接；
9、第二二极管的阴极、第二电感的第二端、第三开关管的漏极和第四开关管的源极相互连接；
10、第四开关管的漏极、第三二极管的阴极、第二电容的阳极和负载端口的阳极相互连接。
11、本专利技术还公开了上述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法，其包括根据负载功率和锂电池的soc值控制三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
12、a)工作模式1：当负载功率为正时，若负载功率升高且锂电池soc大于20％，控制第二开关管和第四开关管始终处于关断状态，通过控制第一开关管实现燃料电池为负载供电，通过控制第三开关管实现锂电池为负载供电；
13、b)工作模式2：当负载功率为正时，若锂电池soc小于20％，控制第三开关管和第四开关管始终处于关断状态，通过控制第一开关管实现燃料电池为负载供电，通过控制第二开关管实现燃料电池为锂电池充电；
14、c)工作模式3：当负载功率为正时，且不满足上述工作模式1和工作模式2的条件，则控制第二开关管、第三开关管和第四开关管始终处于关断状态，通过控制第一开关管实现燃料电池为负载供电；
15、d)工作模式4：当负载功率为负时，若此时锂电池soc小于80％，则控制第一开关管、第二开关管和第三开关管第四始终处于关断状态，通过控制第四开关管实现锂电池吸收负载回馈能量。
16、进一步，所述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法还包括采用pi控制器控制三端口变换器中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管：
17、a)当燃料电池给负载供电时，三端口变换器采用双闭环控制：外环为电压环，内环为电流环；外环pi控制器以负载端电压的参考值uoref和负载端电压的测量值uo为输入，外环pi控制器的输出与第一电感的电流测量值il1作为内环pi控制器的输入，内环pi控制器的输出作为第一开关管的驱动信号；
18、b)当燃料电池给锂电池充电时，三端口变换器采用单电流环控制：pi控制器以锂电池充电电流参考值il2ref和第二电感的电流测量值il2为输入，pi控制器的输出作为第二开关管的驱动信号；
19、c)当锂电池给负载供电时，三端口变换器采用单电流环控制：pi控制器以锂电池供电电流参考值ibatref和第二电感电流测量值il2为输入，pi控制器的输出作为第三开关管的驱动信号；
20、d)当锂电池吸收负载回馈能量时，三端口变换器采用双闭环控制：外环为电压环，内环为电流环；外环pi控制器以负载端电压的参考值uoref和负载端电压的测量值uo为输入，外环pi控本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器，其特征在于：包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；
2.权利要求1中所述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法，其特征在于：包括根据负载功率和锂电池的SOC值控制三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
3.权利要求2中所述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法，其特征在于：还包括采用PI控制器控制三端口变换器中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管：
4.权利要求3中所述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法，其特征在于：还包括加入滤波模块对负载功率进行高频滤波，并对负载功率进行动态功率分配，高频的脉动功率由锂电池提供，低频的缓变功率由燃料电池提供；锂电池供电电流参考值ibatref计算公式为：
【技术特征摘要】
1.适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器，其特征在于：包括燃料电池输入端口、锂电池输入端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；
2.权利要求1中所述适用于燃料电池混合动力系统的三端口变换器的控制方法，其特征在于：包括根据负载功率和锂电池的soc值控制三端口变换器在以下四种工作模式间切换：
3.权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈家伟，徐博文，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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