一种直流-直流电压转换装置及燃料电池动力系统的制作方法

本实用新型涉及机电技术领域，尤其涉及一种直流-直流电压转换装置及燃料电池动力系统。

背景技术：

燃料电池作为一种清洁能源，正在得到越来越广泛的应用，例如作为新能源车辆的动力系统。然而，目前很多燃料电池(例如氢燃料电池)动态响应较慢，难以适应汽车加速的快速响应要求。而且燃料电池的电堆电压一般在48～400v之间，难以满足目前物流车540v电压平台的需求。

为此，可以在氢燃料电池的输出端增加dc/dc(直流-直流)电压转换器，来提高输出电压并加快动态响应速度。然而，现有技术中心的直流-直流电压转化器容易产生较大的高频电流纹波，会影响dc/dc升压转换器输出端连接的电机控制器和高压辅助动力电池的使用寿命及可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种直流-直流电压转换装置、燃料电池动力系统及新能源车辆，能够有效降低电流纹波。

第一方面，本实用新型实施例提供一种直流-直流电压转换装置，包括：

电压转换部，用于通过至少两个电压转换模块的轮流充放电，将第一电压转换为第二电压，其中，在电压转换的任意时刻，所述电压转换模块中存在至少一个处于充电状态的第一转换模块和至少一个处于放电状态的第二转换模块，所述第一电压和所述第二电压为直流电压，且所述第二电压高于所述第一电压；

控制部，与所述电压转换部电连接，用于按照预设时序控制各所述电压转换模块充电或放电，以使所述第二电压的纹波小于预设纹波阈值。

可选的，所述至少两个电压转换模块之间相互并联，每个所述电压转换模块包括储能元件和开关元件。

可选的，所述储能元件的第一端为所述第一电压的电压输入端，所述储能元件的第二端为所述第二电压的电压输出端；所述开关元件的第一端与所述储能元件的所述第二端相连，所述开关元件的第二端接地，所述开关元件的第三端与所述控制部相连。

可选的，所述储能元件的所述第二端通过整流元件与所述电压输出端相连。

可选的，所述储能元件包括电感元件和/或自耦变压器。

可选的，各所述电压转换模块中的所述电感元件的电感值相同或不同；和/或各所述电压转换模块中的所述自耦变压器的自耦系数相同或不同。

可选的，所述电压转换部包括四个所述电压转换模块，在电压转换的任意时刻，所述电压转换模块中存在两个充电的所述第一转换模块和两个放电的所述第二转换模块。

可选的，所述控制部的所述预设时序根据所述预设纹波阈值、所述电压转换模块的数量、每个所述电压转化模块的充放电时长而设置。

第二方面，本实用新型的实施例还提供一种燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统中设置有本实用新型的实施例提供的任一种电压转换装置。

第三方面，本实用新型的实施例还提供一种新能源车辆，所述新能源车辆中设置有本实用新型的实施例提供的任一种电压转换装置。

本实用新型的实施例提供的直流-直流电压转换装置、燃料电池动力系统、新能源车辆，电压转换部能够在控制部的控制下，通过至少两个电压转换模块的轮流充放电，将第一电压转换为第二电压，由于在电压转换的任意时刻，电压转换模块中存在至少一个处于充电状态的第一转换模块和至少一个处于放电状态的第二转换模块，因此能够将电压转换过程中电流纹波的不利影响分流到至少两个电压转换模块中分担，从而有效减小输出的电流纹波。

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他的附图。

图1为本实用新型的实施例提供的电压转换装置的一种结构示意图；

图2为本实用新型的实施例提供的电压转换装置的一种局部结构示意图；

图3为本实用新型的实施例提供的过流保护装置的一种详细结构示意图。

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，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的实施例提供一种直流-直流电压转换装置，包括：

电压转换部1，用于通过至少两个电压转换模块10的轮流充放电，将第一电压转换为第二电压，其中，在电压转换的任意时刻，电压转换模块10中存在至少一个处于充电状态的第一转换模块和至少一个处于放电状态的第二转换模块，所述第一电压和所述第二电压为直流电压，且所述第二电压高于所述第一电压；

控制部2，与电压转换部1电连接，用于按照预设时序控制各电压转换模块10充电或放电，以使所述第二电压的纹波小于预设纹波电压阈值。

本实用新型的实施例提供的电压转换装置，电压转换部1能够在控制部2的控制下，通过至少两个电压转换模块10的轮流充放电，将第一电压转换为第二电压，由于在电压转换的任意时刻，电压转换模块10中存在至少一个处于充电状态的第一转换模块和至少一个处于放电状态的第二转换模块，因此能够将电压转换过程中电流纹波的不利影响分流到至少两个电压转换模块10中分担，从而有效减小输出的电流纹波。

具体而言，在本实用新型的实施例中，由于电压转换模块10依靠充电和放电进行电压转换，为了使输出端的第二电压达到预期的幅度和稳定性，电压转换模块10的充放电速度、充放电时长要满足一定的要求。而由于充放电之间电流的快速变化就会产生电流纹波，为了减小电流纹波，在本实用新型的一个实施例中，可以通过多个电压转换模块10的轮流充放电来缓和充放电过程中电流的变化速率，从而有效减小电流纹波。

在本实用新型的实施例中，各个电压转换模块10的充电或放电状态的具体时序可以由控制部2来控制。可选的，控制部2控制各电压转换模块10的预设时序可以根据输出端的预设纹波阈值、电压转换模块10的数量、每个电压转化模块10的充放电时长而设置。一方面，预设纹波阈值越小，则要求对应的电流变化率也越小，为此可以通过更多个电压转换模块10来共同分担电流的快速变化，使电流的变化率降低。同时，另一方面，预设纹波阈值越小，还要求当对应的电流变化率一定时，每个电压转换模块10的充放电时长越短，因为电流变化率一定的情况下，充电时长越长，电流幅度也就越大，从而容易超过预设纹波阈值。因此，在本实用新型的实施例中，可以基于输出端的预设纹波阈值，电压转换模块10的数量以及每个电压转换模块10的充放电参数，设置每个电压转换模块10的充放电时长。

可选的，在电压转换部1的各个电压转换模块10中，各电压转换模块10的充放电时长可以相等也可以不等，本实用新型的实施例对此不做限定。例如，可以对电压转换模块a充电3微秒，放电3微秒，对电压转换模块b充电2微秒，放电2微秒等。

需要说明的是，由于需要保证在电压转换的任意时刻存在至少一个电压转换模块处于充电状态，至少一个电压转换模块处于放电状态，因此，当电压转换部1仅包括2个电压转换模块10时，其中一个电压转换模块处于充电状态，另一个电压转换模块处于放电状态。当电压转换部1包括3个甚至更多电压转换模块10时，可以同时存在多个处于充电状态的电压转换模块和处于放电状态的电压转换模块。各电压转换模块10之间可以轮流充电或放电，两个电压转换模块的充电时间可以完全重叠、部分重叠或者完全不重叠。例如，电压转换模块a1、a2、a3、a4的充电时刻分别可以为第10微秒、第14微秒、第16微秒、第16微秒，电压转换模块a1、a2、a3、a4的放电时刻分别可以为第16微秒、第20微秒、第22微秒、第22微秒。则可以看出，在第15微秒a1、a2都在充电，在第16微秒a1在放电，a2、a3、a4都在充电。

可选的，在本实用新型的一个实施例中，电压转换部1可以包括四个电压转换模块10，在电压转换的任意时刻，电压转换模块10中存在两个充电的第一转换模块和两个放电的第二转换模块。

可选的，在本实用新型的实施例中，电压转换模块10可以通过多种结构实现，只要能够通过充放电来进行电压转换即可，本实用新型的实施例对此不做限定。例如，如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，电压转换部1中的至少两个电压转换模块10之间可以相互并联，其中每个电压转换模块10可以包括储能元件11和开关元件12。其中，储能元件11可以用于充电或放电，开关元件12可以用于控制储能元件11在充电过程和放电过程之间切换。

具体而言，储能元件11的第一端可以为第一电压的电压输入端，储能元件11的第二端可以为第二电压的电压输出端；开关元件12的第一端与储能元件11的第二端相连，开关元件12的第二端接地，开关元件12的第三端与控制部2相连。

当开关元件12闭合时，储能元件11一端连接电压输入端，另一端与地短接，第一电压对储能元件11充电；当开关元件12断开时，储能元件11一端连接电压输入端，一端连接电压输出端，将之前储存的电能以续流的方式向第二电压的电压输出端提供附加电压，该附加电压可以与第一电压相叠加，在输出端形成第二电压，因此第二电压大于第一电压，从而达到升压效果。

由于电压转换部1中可以包括两个或者更多个电压转换模块10，当不同电压转换模块10中的开关元件12分别在不同的时刻闭合或断开时，即可使各储能元件11形成不同的充放电状态，通过这些储能元件11的充放电的配合可以为电路提供附加电压，该附加电压可以与第一电压叠加，在输出端形成第二电压。

进一步的，为了减小电流纹波对输出端第二电压的干扰，在本实用新型的一个实施例中，储能元件11的第二端可以通过整流元件与电压输出端相连，例如储能元件11的第二端可以通过二极管等单向导通的器件与电压输出端相连。

可选的，储能元件11可以包括电感元件和/或自耦变压器。各电压转换模块中的电感元件的电感值可以相同或不同；和/或各所述电压转换模块中的自耦变压器的自耦系数可以相同或不同。由于电感值越大，对电流变化的阻碍作用就越强，电流的变化率就越大，也就越容易产生较大的电流纹波，因此传统的通过单路电感进行倍压效果的电压转换时，由于采用了较大电感值的电感，不但会产生较大的电流纹波，也会占用较大的体积，降低器件集成效率。而本实用新型的实施例提供的直流电压变换装置则采用多路电感进行不同步的充放电等措施，有效减小了其中每一路电感的电感值，从而能够有效减小电流纹波。同时由于每个电感值的减小，即使电感的总数量有所增加，也不会大量增加体积。

下面通过具体实施例对本实用新型的实施例提供的直流-直流电压转换装置进行详细说明。

如图3所示，本实用新型的实施例提供的直流-直流电压转换装置中，电压转换部1可以包括四个电压转换模块10，用于通过四个电压转换模块10充电、放电的配合，将第一电压v1转换为第二电压v2。其中，每个电压转换模块10可以包括储能元件电感l1、l2、l3、l4，以及开关元件cmos晶体管(例如功率开关管)q1、q2、q3、q4。控制部2输出的控制信号ctrl可以通过连接开关元件q1、q2、q3、q4控制四个储能元件电感l1、l2、l3、l4的充放电进程。其中，储能元件电感可以采用铁硅铝磁环并联，漆包线绕制，具有饱和磁通密度高，不易饱和，体积小效率高的特点。可选的，在本实用新型的一个实施例中，可以将开关管、整流二极管采用多管并联的方式封装在一个模块内，组成升压模块，体积更小，模块化更高，便于安装和水冷散热。

可选的，为了减小高频电流噪声的影响，在本实用新型的一个实施例中，在第一电压的输入端和第二电压的输出端可以接入滤波电容c1、c2，以便滤除高频干扰。

控制部2可以控制q1、q2、q3、q4开关管的闭合或断开时机，从而实现降低输出电流纹波的目的。控制部2的具体控制时序例如可以为：q1在0.1秒首先导通，电源通过电感l1正向储能，当q1导通至0.2秒时q2导通，l2电感正向储能，当q2导通至0.3秒时q1关断q3导通，l3电感正向储存能量，l1电感通过二极管d1向c2释放能量；当q3导通至0.4秒时q4导通，l4正向储能，q2关断，l2向c2释放能量；当q3导通至0.5秒时q1导通，q3关断，l3向c2释放能量；如此反复。由此可见，在一个工作周期内，四只开关管各导通一次，每个电感中留给电流增大的时长也只是不进行多个电感切换充放电时的四分之一，因此电流纹波也减小了4倍，有效实现了降低电流纹波的目的。

本实用新型的实施例提供的电压转换装置，有效改善了现有技术中电路中纹波电流过大，电流变化率(即di/dt)过高产生的寄生效应，通过多路并联交错输出实现了低输出电流纹波和快速的动态响应，改善了电池和电机的工作条件，使电池和电机的可靠性和稳定性得到有效提高。

相应的，本实用新型的实施例还提供一种燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统中设置有前述实施例提供的任一种电压转换装置。

相应的，本实用新型的实施例还提供一种新能源车辆，所述新能源车辆中设置有前述实施例提供的任一种电压转换装置。

需要说明的是，在本文中，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。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本实用新型时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

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。