一种适合氢质子模燃料电池动力大巴的电源变换器的制作方法

文档序号:11110990
一种适合氢质子模燃料电池动力大巴的电源变换器的制造方法与工艺

本发明涉及电力变换技术领域,尤其涉及一种低电压大电流,低输入纹波电流的隔离电源变换器。



背景技术:

氢质子模燃料电池不同于一般的发电装置,它直接通过电化学反应将化学能转化为电能,具有能量转化效率高、能量密度功率密度高、过程无噪声、污染小、可靠性高、模块化等显著优点,被认为是解决能源环境危机的终极方案。

单个氢质子模燃料电池的工作电压一般在0.7V左右,电流随反应面积不同,可以从几安培到几百安培而变化。由于单个电池输出功率有限,为了满足更大功率的输出,通常多个单体燃料电池组成串组。燃料电池在中小容量应用输出端电压通常较低,目前在公交大巴上的燃料电池输出端在200V以内,且随输出电压随电流变化的波动范围较大。



技术实现要素:

本发明的目的是:构建一种适合氢质子模燃料电池动力大巴的电源变换器,通过电力电子隔离拓扑变换使氢质子模燃料电池给大巴车载电池提供动力。

为达上述目的,本发明通过以下技术方案实现:

一种氢质子模燃料电池动力大巴电源变换器,其输入端连接氢质子模燃料电池的输出端,输出端连接大巴车载电池;所述电源变换器包括多相BOOST拓扑与串联LLC拓扑两级拓扑;其中,多相BOOST拓扑由多个BOOST电路并联构成,串联LLC电路由输入端并联输出端串联的两个LLC电路构成。所述多相BOOST拓扑的输入端与所述氢质子模燃料电池的输出端相连,所述多相BOOST拓扑的输出端与所述串联LLC电路的输入端相连,所述串联LLC电路的输出端与所述大巴车载电池相连。

进一步地,所述多相BOOST拓扑包含电感L1、L2、…、Ln,功率MOSFETS1、S2、…、Sn,二极管D1、D2、…、Dn,滤波电容C1;所述LLC电路包含功率MOSFET(Sx1、Sx2、…、Sx4,Sx5、Sx6、…、Sx8),谐振电感(Lx1,Lx2),谐振电容(C2,C3),隔离变压器(Tx1,Tx2),整流二极管(Dx1、Dx2,Dx3、Dx4),滤波电容(C4,C5)。

进一步地,所述多相Boost拓扑电路连接为:所述电感L1、L2、…、Ln的一端连接氢质子模燃料电池的正极,所述电感L1、L2、…、Ln的另一端连接分别连接所述功率MOSFET S1、S2、…、Sn的漏极和所述二极管D1、D2、…、Dn的正极;所述功率MOSFET的源极连接所述氢质子模燃料电池的负极;所述功率MOSFET S1、S2、…、Sn的门极连接控制信号PWM1、PWM2、…、PWMn;所述二极管D1、D2、…、Dn的负极连接所述滤波电容C1的阳极,所述滤波电容C1的阳极还与所述功率MOSFET Sx1、Sx2、Sx5、Sx6的漏极相连;所述滤波电容C1的阴极连接氢质子模燃料电池的负极,滤波电容C1的阴极还与所述功率MOSFET Sx3、Sx4、Sx7、Sx8的源极相连;所述功率MOSFET Sx1、Sx2、…、Sx8的门极连接控制信号PWMx1、PWMx2、…、PWMxn;所述LLC电路的连接方式为:

所述功率MOSFET Sx1的源极与所述功率MOSFET Sx3的漏极和谐振电容C2的一端相连,谐振电容C2的另一端相与所述谐振电感Lx1的一端相连,所述谐振电感Lx1的另一端与所述隔离变压器Tx1的原边异名端相连。所述功率MOSFET Sx2的源极与所述功率MOSFET Sx4的漏极所述隔离变压器Tx1的原边同名端相连。所述隔离变压器Tx1的副边M1线圈同名端与所述整流二极管Dx1阳极相连,所述隔离变压器Tx1的副边M2线圈异名端与所述整流二极管Dx2阳极相连。所述整流二极管Dx1阴极与所述整流二极管Dx2阴极相连和滤波电容C4的阳极相连。所述隔离变压器Tx1副边M1线圈的异名端与所述隔离变压器Tx1副边M2线圈的同名端和滤波电容C4的阴极相连。

进一步地,所述多相BOOST拓扑中各Boost电路的开关管驱动平均移相。

进一步地,PWM1、PWM2、…PWMm由主控制芯片DSP统一控制,通过对多相Boost拓扑的输出电容C1上的电压进行采样进行电压闭环控制,得出需要输出的占空比,然后经过移相,输出给各多相BOOST的开关管主功率S1、S2、…、Sn

本发明的有益效果是:本发明的电源变换器作为氢质子模燃料电池与电动大巴车载电池的电力电子变换装置,可满足氢质子模燃料电池输出电压范围较宽电流较大的需求,还有效降低燃料电池输出端电流的纹波,提高燃料电池的使用寿命。变换器采用隔离拓扑,其效率高达95%以上,减小所需要的燃料电池容量,是节约整个氢质子模燃料电池动力大巴整体系统成本的一个关键点。

附图说明

图1是本发明的电源变换器的结构框图;

图2是本发明的电源变换器的电路图;

图3是多相Boost驱动及各电感电流波形示意图;

图4是LLC电路各开关驱动波形示意图。

具体实施方案

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的氢质子模燃料电池动力大巴电源变换器功率拓扑如附图1所示,其输入端连接氢质子模燃料电池的输出端,输出端连接大巴车载电池,所述电源变换器采用隔离电路拓扑。所述电源变换器由多相BOOST拓扑与串联LLC拓扑构成。其中,多相BOOST拓扑由多个BOOST电路并联构成,串联LLC电路由输入端并联输出端串联的两个LLC电路构成。所述多相BOOST拓扑的输入端与所述氢质子模燃料电池的输出端相连,所述多相BOOST拓扑的输出端与所述串联LLC电路的输入端相连,所述串联LLC电路的输出端与所述大巴车载电池相连。

附图2所示的是本发明的电源变换器的电路图,其中,所述多相BOOST拓扑包含电感L1、L2、…、Ln,功率MOSFET S1、S2、…、Sn,二极管D1、D2、…、Dn,滤波电容C1。所述LLC电路包含功率MOSFET(Sx1、Sx2、…、Sx4,Sx5、Sx6、…、Sx8),谐振电感(Lx1,Lx2),谐振电容(C2,C3),隔离变压器(Tx1,Tx2),整流二极管(Dx1、Dx2,Dx3、Dx4),滤波电容(C4,C5)。

所述电感L1、L2、…、Ln的一端连接氢质子模燃料电池的正极,所述电感L1、L2、…、Ln的另一端连接分别连接所述功率MOSFET S1、S2、…、Sn的漏极和所述二极管D1、D2、…、Dn的正极。所述功率MOSFET的源极连接所述氢质子模燃料电池的负极。所述功率MOSFET S1、S2、…、Sn的门极连接控制信号PWM1、PWM2、…、PWMn。所述二极管D1、D2、…、Dn的负极连接所述滤波电容C1的阳极,所述滤波电容C1的阳极还与所述功率MOSFET Sx1、Sx2、Sx5、Sx6的漏极相连。所述滤波电容C1的阴极连接氢质子模燃料电池的负极,滤波电容C1的阴极还与所述功率MOSFET Sx3、Sx4、Sx7、Sx8的源极相连。所述功率MOSFET Sx1、Sx2、…、Sx8的门极连接控制信号PWMx1、PWMx2、…、PWMxn。所述功率MOSFET Sx1的源极与所述功率MOSFET Sx3的漏极和谐振电容C2的一端相连,谐振电容C2的另一端相与所述谐振电感Lx1的一端相连,所述谐振电感Lx1的另一端与所述隔离变压器Tx1的原边异名端相连。所述功率MOSFET Sx2的源极与所述功率MOSFET Sx4的漏极所述隔离变压器Tx1的原边同名端相连。所述隔离变压器Tx1的副边M1线圈同名端与所述整流二极管Dx1阳极相连,所述隔离变压器Tx1的副边M2线圈异名端与所述整流二极管Dx2阳极相连。所述整流二极管Dx1阴极与所述整流二极管Dx2阴极相连和滤波电容C4的阳极相连。所述隔离变压器Tx1副边M1线圈的异名端与所述隔离变压器Tx1副边M2线圈的同名端和滤波电容C4的阴极相连。

LLC电路1的结构和LLC电路1的结构一样,元器件的连接方式为:所述功率MOSFET Sx5的源极与所述功率MOSFET Sx7的漏极和谐振电容C3的一端相连,谐振电容C3的另一端相与所述谐振电感Lx2的一端相连,所述谐振电感Lx2的另一端与所述隔离变压器Tx2的原边异名端相连。所述功率MOSFET Sx6的源极与所述功率MOSFET Sx8的漏极所述隔离变压器Tx2的原边同名端相连。所述隔离变压器Tx2的副边M3线圈同名端与所述整流二极管Dx3阳极相连,所述隔离变压器Tx2的副边M4线圈异名端与所述整流二极管Dx4阳极相连。所述整流二极管Dx3阴极与所述整流二极管Dx4阴极相连和滤波电容C5的阳极相连,滤波电容C5的阳极还与所述滤波电容C4的阴极相连。所述隔离变压器Tx2副边M3线圈的异名端与所述隔离变压器Tx2副边M4线圈的同名端和滤波电容C5的阴极相连。

其具体工作原理如下:

所述电源变换器采用两级拓扑串联结构,前级采用多相Boost拓扑实现所述电源变换器的升压功能,后级采用串联LLC拓扑,实现所述电源变换器的隔离功能。由于所述电源变换器的输入电流较大,输入电流纹波要求较高,故采用所述多相Boost拓扑使用n个Boost电路并联,各Boost电路开关管驱动平均移相,其驱动波形如附图3所示,PWM1、PWM2、…PWMm各驱动信号依次错开360/n度,开通过程中各电感电流IL1、IL2、…ILm满足以下等式,其中Lm为每个电感的感值,Vin为氢质子模燃料电池的输出电压:

(1)

通过式(1)可得到各移相模块并联后的在开关开通时的电流,假设各电感的感值均为L:

(2)

关闭过程中各电感电流IL1、IL2、…ILm满足以下等式,其中Lm为每个电感的感值,Vin为氢质子模燃料电池的输出电压,VO为并联Boost电路输出电压:

(3)

通过等式(3)可得到各移相模块并联后的在开关关断时的电流,假设各电感的感值均为L:

(4)

可以看到,各相电感电流在可以有效减小输出电容的纹波电流,在某些工作点能实现零纹波电流,使得前级多相Boost电路的效率高达97%。采用多相技术,与单路Boost结构或多路Boost直接并联相比,其具有以下特点:

(1)降低了单个器件的应力,提高了降额,便于热设计;

(2)减小了单个电感的体积,磁芯的设计和成本得到控制;

(3)多路并联,也是一种冗余技术,可靠性得到改善;

(4)可以根据不同的功率需求进行扩展,开发空间大;

所述各PWM1、PWM2、…PWMm由主控制芯片DSP统一控制,通过对多相Boost输出电容C1上的电压进行采样进行电压闭环控制,得出需要输出的占空比,然后经过CPLD移相,输出给各多相BOOST的开关管主功率S1、S2、…、Sn,实现方式简单可靠。

所述氢质子模电池动力的电源变换器后级采用LLC拓扑结构,其工作波形如附图4所示。考虑到所述燃料电池动力大巴电源变换器功率为30kW,LLC电路拓扑中的隔离变压器功耗较大,故所述LLC拓扑输入端采用两个全桥拓扑并联。由于LLC拓扑的输出连接到大巴的车载电池组上,供电范围较宽为400V-700V,故所述LLC拓扑将所述隔离变压器Tx1、Tx2串联。

输出端采用两个全桥拓扑并联采用输出电压闭环控制的LLC拓扑的开关频率将会有非常大的变化,而这也给谐振参数的设计带来问题。本发明通过监测LLC拓扑输出的波动,调节前级多相Boost电路拓扑的输出,而LLC拓扑采用开环控制,使LLC的谐振工作在定频状态,即可实现输出电压稳定。所述LLC电路拓扑能在全负载范围内实现软开关,通过上管关断而下管未开通的死区时间内通过谐振电感上的电流给即将导通的开关管结电容充放电,实现零电压开通,故该部分电路最高效率可达98%。

综合考虑,本发明的氢质子模电池动力大巴电源变换器,功率高达30kW,采用两级电源串联方式,效率高达95%以上,具备以下特点:

(1)实现低输入纹波电流,保证燃料电池的稳定可靠工作。从燃料电池到蓄电池充电,是升压变换,燃料电池输出电流大,可靠的电流纹波控制,不仅能够保证可靠的工作,同时保障了燃料电池的使用寿命。

(2)实现高转换效率,提高能源的高效利用,减小的散热设计而带来的空间损耗,使得整机体积,重量得到有效的控制,从根本问题上提高了功率密度。

(3)多相Boost采用了多级并联的模块化设计,增强了可靠性,适应了更大功率的设计要求,整机方案设计灵活度高,易集成,易扩展,结构简单可靠。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

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