一种燃料电池汽车功率系统模拟平台及方法与流程

本发明涉及可再生能源氢燃料应用领域，具体地说是一种实用性强、燃料电池汽车功率系统模拟平台及方法。

背景技术：

氢燃料电池是绝对清洁和零污染排放的且车辆添加氢燃料简单快速。氢燃料电池系统质量轻，结构简单，化学反应效率高，其动力强劲，续航里程远，是未来公交运输，重载物流运输的理想动力形式。氢燃料电池汽车动力系统由氢燃料电池、直流功率变换器、车载动力电池组、电驱逆变器、电机五大部分组成，后三者为传统纯电动汽车主要动力组成部分，简称“三电系统”。其中直流功率变换器（简称dc-dc）是连接氢燃料电池与车载动力电池的必不可少的重要组成部分。dc-dc将燃料电池输出电压与车载动力电池电压合理进行匹配，并为“三电”系统持续提供汽车续航所需能量。现有dc-dc测试解决方案大多通过大功率电源来提供dc-dc的输入，dc-dc输出直接消耗在负载电阻上。由于dc-dc功率较大（30kw-120kw）通过此方案测试会消耗大量的能量，并在测试空间内产生大量的热。而且大功率电阻负载的体积庞大，更占据了很多研发办公空间。为减少测试过程中不必要的能量消耗，以电力电子变换器并网为基础的测试平台成为了dc-dc常用的解决方案。但是，大功率的并网对办公研发生产场地电力系统要求较高，往往需要铺设大功率三相电缆及配电柜等设施。所以此并网方案并不适用所有办公研发场地。

进一步的，针对上述不足可参照附图1、图2、图3、图4，其中：

图1为现有氢燃料电池汽车动力系统的系统框图，其结构由氢燃料电池、直流功率变换器、车载动力电池组、电驱逆变器、电机五大部分组成，其中dc-dc是连接氢燃料电池与车载动力电池的必不可少的重要组成部分。其电力电子拓扑原理图如图2所示。

dc-dc的输入为燃料电池输出电压，燃料电池为高阻抗特性，即燃料电池输出电压随输出功率增大而降低，所以dc-dc需具有宽幅输入特性。dc-dc输出端对接车载动力电池组（600v）。车载动力电池组电压随电芯电量变化而变化。例如车辆加速，车载电池组为电机驱动提供较大瞬时功率，车载电池电压降低。当车辆刹车时，电机能量会回传给车载电池，使其电压升高，dc-dc输出测需迎合车辆运行时的暂态特性。在氢燃料电池汽车动力系统中，对dc-dc的性能要求极为挑战。所以一种高效节能并能模拟氢燃料电池车功率系统特性的dc-dc测试平台至关重要。

传统测试大功率dc-dc的方案如图3所示。此方法将从电网抽出的全部功率都消耗在了电阻负载上，产生大量热。显然不是一种有效节能的测试方法。功率为30kw测试10小时所消耗的电量为300度。

为减少测试过程中不必要的能量消耗，如图4所示的以电力电子变换器并网为基础的测试平台成为了测试dc-dc常用的解决方案：

此方案用双向ac-dc变换器以整流的方式将三相交流电变为高压直流电（750v），再通过dc-dc降压变换器将整流后电压降至60v-120v被测dc-dc转换电路输入电压。另一个通道，整流后电压750v通过另一个降压dc-dc变换器将被测dc-dc转换电路输出端电压稳定控制在600v，模拟车载动力电池组电压源。被测dc-dc转换电路开启后，被测dc-dc转换电路功率流向决定系统功率流向，能量最终通过系统1.双向dc-ac变换器以逆变的形式送回电网。此方案将测试消耗功率回馈给电网，整个系统所消耗的功率为子系统1、2、3电力电子变换器自身开关器件及磁性元件损耗。但是，大功率的并网对办公研发生产场地电力系统要求较高，往往需要铺设大功率三相电缆及配电柜等设施。所以此并网方案并不适用所有办公研发场地。

基于这种情况，如何设计一种既能使测试功率在系统中进行循环，又对研发办公场地无限制（无需大功率并网回馈）的测试平台，极为重要。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强、燃料电池汽车功率系统模拟平台及方法。

一种燃料电池汽车功率系统模拟平台，包括：

储能单元，提供输出电压；

第二组dc-dc转换电路，为降压型双向三相直流转换电路，对由储能单元施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压；

被测dc-dc转换电路，为单向直流转换电路，对第一组dc-dc转换电路施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压；

第一组dc-dc转换电路，为降压型双向三相直流转换电路，对由被测dc-dc转换电路施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压至储能单元、第二组dc-dc转换电路。

进一步的，所述储能单元由充电机、电池包组成，充电机接入包括市电在内的交流电源并完成交流到直流的转换，充电机的直流端接入电池包，充电机的交流端接入电网。

进一步的，所述电池包为蓄电池包，该电池包的电压等级为200v。

进一步的，所述第二组dc-dc转换电路用于将200v直流电压降为60～120v燃料电池电压，输出至被测dc-dc转换电路，被测dc-dc转换电路为升压型单向直流转换电路，将60～120v燃料电池电压升压为600v固定电压并输出至第一组dc-dc转换电路中，第一组dc-dc转换电路将600v直流电压降为200v直流电压。

作为优选，所述第二组dc-dc转换电路包括绝缘栅双极型晶体管21、22、23、24、25、26，电感l1、l2、l3，其具体结构为：

绝缘栅双极型晶体管21、22、23的集电极均接入储能单元的输出端；绝缘栅双极型晶体管21、22、23的发射极则分别接入电感l1、l2、l3的一端、晶体管24、25、26的集电极；绝缘栅双极型晶体管24、25、26的发射极均接入储能单元的输出端、被测dc-dc转换电路的输入侧；电感l1、l2、l3的另一端接入被测dc-dc转换电路的输入侧。

作为优选，所述第一组dc-dc转换电路包括绝缘栅双极型晶体管11、12、13、14、15、16，电感l4、l5、l6，其具体结构为：

绝缘栅双极型晶体管11、12、13的集电极均接入被测dc-dc转换电路的输出侧；绝缘栅双极型晶体管11、12、13的发射极分别接入电感l4、l5、l6的一端、绝缘栅双极型晶体管14、15、16的集电极；绝缘栅双极型晶体管14、15、16的发射极接入储能单元的输出端、第二组dc-dc转换电路的输出端、被测dc-dc转换电路的输出侧。

在电感l1、l2、l3的输出端、被测dc-dc转换电路的输入侧与绝缘栅双极型晶体管24、25、26的发射极之间设置有电压源vdc1，在被测dc-dc转换电路的输出侧与绝缘栅双极型晶体管11、12、13的集电极、绝缘栅双极型晶体管14、15、16的发射极之间设置有电压源vdc2，该电压源vdc1、vdc2均为电容。

所述燃料电池汽车功率系统模拟平台中第一组dc-dc转换电路还可通过pi控制器来对600v电压动态响应速度进行调节。

一种燃料电池汽车功率系统模拟方法，具体模拟过程为：

步骤一、首先启动第一组dc-dc转换电路将储能单元提供的电压提升，使被测dc-dc转换电路的输出侧有稳定的高压；

步骤二、然后启动第二组dc-dc转换电路将储能单元提供的电压降低，使被测dc-dc转换电路的输入侧有低压输入；

步骤三、然后启动被测dc-dc转换电路，增加被测dc-dc转换电路功率，系统功率即按被测dc-dc转换电路功率方向进行循环。

所述第二组dc-dc转换电路的输出电压为可变电压，即随电流增加而减小，当被测dc-dc转换电路从第一组dc-dc转换电路中抽取最大电流时，第二组dc-dc转换电路为被测dc-dc转换电路提供的输入电压最低。

在本发明中，第二组dc-dc转换电路为一种电力电子变换器，从而模拟燃料电池输出，通过对电力电子变换器的控制，将被测dc-dc转换电路输入侧的电压参考值，设置为根据被抽电流变化而变化，电力电子功率变换器可以模拟任何燃料电池功率曲线，通过该种方式，解决了蓄电池无法模拟燃料电池的功率曲线的缺陷。

进一步的，所述第二组dc-dc转换电路的输出电压为60～120v，当被测dc-dc转换电路从第一组dc-dc转换电路中抽取最大电流时，被测dc-dc转换电路输入电压降至60v。

作为优选，所述步骤一中，第一组dc-dc转换电路将200v储能单元电压升压至600v，则被测dc-dc转换电路输出侧有稳定控制的600v电压；步骤二中，第二组dc-dc转换电路将200v储能单元电压降至120v作为被测dc-dc转换电路输入电压。

本发明的一种燃料电池汽车功率系统模拟平台及方法，具有以下优点：

本发明提供的燃料电池汽车功率系统模拟平台及方法与现有技术相比，通过对电力电子变换器的控制，将被测dc-dc转换电路输入测的电压参考值，设置为根据被抽电流变化而变化，电力电子功率变换器可以模拟任何燃料电池功率曲线，只需一个单独的充电机补充200v储能单元，即可在系统进行大功率测试时持续补充系统消耗，也就是说，本发明只通过一个4kw单相ac-dc充电机将200v蓄电池与电网连接，即可在测试过程中补充整个系统消耗的电量，此测试方案可将测试消耗能量在系统中进行循环，无须大功率并网回馈，大大减小了研发办公地点对大功率电源测试的限制，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

附图1为现有技术中氢燃料电池汽车动力系统示意图。

附图2是现有dc-dc电力电子拓扑示意图。

附图3是传统测试大功率dc-dc方案示意图。

附图4是电力电子变换器并网测试平台示意图。

附图5是本发明的实现示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图5所示，本发明提供一种燃料电池汽车功率系统模拟平台，在该附图中，标号具体解释如下：

1：第一组dc-dc转换电路；

2：第二组dc-dc转换电路；

3：被测dc-dc转换电路；

4：储能单元；

11、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、26：绝缘栅双极型晶体管；

l1、l2、l3、l4、l5、l6：电感；

vdc1、vdc2：电压源。

本发明的技术方案以一组大容量储能蓄电池为核心，此电池组电压等级定为200v。选择此电压等级可确保通过升、降压dc-dc变换器进行功率变换时变换器脉宽占空比不会过小或者过大。200v电池电压通过一个三相降压dc-dc功率变换器可将200v电压降至60v-120v作为被测燃料电池dc-dc输入电压。同时，此200v电池电压通过另外一个三相升压dc-dc功率变换器将其另一端电压稳定控制在600v，模拟氢燃料电池汽车中动力电池电压源，即为被测燃料电池dc-dc输出电压。此600v电压动态响应速度可通过pi控制器调节，模拟电动汽车加速、刹车时动力电池电压的暂态变化。

针对上述描述，本发明的具体结构包括：

储能单元4，提供输出电压；

第二组dc-dc转换电路2，为降压型双向三相直流转换电路，对由储能单元4施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压；

被测dc-dc转换电路3，为单向直流转换电路，对第一组dc-dc转换电路1施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压；

第一组dc-dc转换电路1，为降压型双向三相直流转换电路，对由被测dc-dc转换电路3施加至该电路的dc电压进行转换，并输出转换后的dc电压至储能单元4、第二组dc-dc转换电路2。

所述被测dc-dc转换电路3可采用现有技术中常见的直流转换电路即可。

所述储能单元4由充电机、电池包组成，充电机接入包括市电在内的交流电源并完成交流到直流的转换，充电机的直流端接入电池包，充电机的交流端接入电网。

所述电池包为蓄电池包，该电池包的电压等级为200v。

所述第二组dc-dc转换电路2用于将200v直流电压降为60～120v燃料电池电压，输出至被测dc-dc转换电路3，被测dc-dc转换电路3为升压型单向直流转换电路，将60～120v燃料电池电压升压为600v固定电压并输出至第一组dc-dc转换电路1中，第一组dc-dc转换电路1将600v直流电压降为200v直流电压。

所述第二组dc-dc转换电路2包括绝缘栅双极型晶体管21、22、23、24、25、26，电感l1、l2、l3，其具体结构为：

绝缘栅双极型晶体管21、22、23的集电极均接入储能单元4的输出端；绝缘栅双极型晶体管21、22、23的发射极则分别接入电感l1、l2、l3的一端、晶体管24、25、26的集电极；绝缘栅双极型晶体管24、25、26的发射极均接入储能单元4的输出端、被测dc-dc转换电路3的输入侧；电感l1、l2、l3的另一端接入被测dc-dc转换电路3的输入侧。

作为优选，所述第一组dc-dc转换电路1包括绝缘栅双极型晶体管11、12、13、14、15、16，电感l4、l5、l6，其具体结构为：

绝缘栅双极型晶体管11、12、13的集电极均接入被测dc-dc转换电路的输出侧；绝缘栅双极型晶体管11、12、13的发射极分别接入电感l4、l5、l6的一端、绝缘栅双极型晶体管14、15、16的集电极；绝缘栅双极型晶体管14、15、16的发射极接入储能单元的输出端、第二组dc-dc转换电路2的输出端、被测dc-dc转换电路3的输出侧。

在电感l1、l2、l3的输出端、被测dc-dc转换电路3的输入侧与绝缘栅双极型晶体管24、25、26的发射极之间设置有电压源vdc1，在被测dc-dc转换电路3的输出侧与绝缘栅双极型晶体管11、12、13的集电极、绝缘栅双极型晶体管14、15、16的发射极之间设置有电压源vdc2，该电压源vdc1、vdc2均为电容。

为了更好的模拟电动汽车的加速、刹车等动力电池电压的暂态变化，所述第一组dc-dc转换电路1连接有pi控制器，来对600v电压动态响应速度进行调节。由于pi控制器的结构及连接方式在现有技术中较为常见，针对其连接结构，在此不再赘述。

结合上述平台，本发明还提供了一种燃料电池汽车功率系统模拟方法，具体模拟过程为：

步骤一、首先启动第一组dc-dc转换电路1将储能单元4提供的电压提升，使被测dc-dc转换电路3的输出侧有稳定的高压；

步骤二、然后启动第二组dc-dc转换电路2将储能单元4提供的电压降低，使被测dc-dc转换电路3的输入侧有低压输入；

步骤三、然后启动被测dc-dc转换电路3，增加被测dc-dc转换电路3功率，系统功率即按被测dc-dc转换电路3功率方向进行循环。

所述第二组dc-dc转换电路2的输出电压为可变电压，即随电流增加而减小，当被测dc-dc转换电路3从第一组dc-dc转换电路1中抽取最大电流时，第二组dc-dc转换电路2为被测dc-dc转换电路3提供的输入电压最低。

所述第二组dc-dc转换电路2的输出电压为60～120v，当被测dc-dc转换电路3从第一组dc-dc转换电路1中抽取最大电流时，被测dc-dc转换电路3输入电压降至60v。

所述步骤一中，第一组dc-dc转换电路1将200v储能单元4电压升压至600v，则被测dc-dc转换电路3输出侧有稳定控制的600v电压；步骤二中，第二组dc-dc转换电路2将200v储能单元4电压降至120v作为被测dc-dc转换电路3输入电压。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。