一种用于燃料电池系统的隔离型DCDC变换器拓扑结构

本发明涉及燃料电池系统，特别涉及一种用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构。

背景技术：

1、未来大功率级燃料电池系统主要通过100kw级燃料电池系统模块多模块并联而成，通常情况下燃料电池系统在运行状态的绝缘电阻约为100kω，但是在多模块并联情况下该绝缘性能指标随模块数量成比例下降，使得燃料电池系统的绝缘性能大幅降低。

2、dcdc变换器分为隔离型dcdc变换器以及非隔离型dcdc变换器两种形式。非隔离型dcdc的电压输入范围较窄且不具有电气隔离功能，易形成地线上的环流导致安全性较差，无法保护系统中关键部件。随着燃料电池系统功率不断提升、应用范围不断扩大，对安全性要求更高，非隔离dcdc变换器上述的缺点会更加突出。由于变压器的存在，隔离型dcdc变换器的电气绝缘性能更优，但是隔离型拓扑结构的开关管数量更多且额外增加了变压器器件，开关管数量的增加和变压器的漏感显著增加了变换器的损耗，同时增加了直流母线获取回馈能量的辅助系统的能量损耗，在应用于mw级规模的燃料电池系统时会产生较高的能量损耗。

3、此外，dcdc变换器的控制策略通常围绕dcdc变换器拓扑结构进行设计，拓扑结构的单一通常会使得控制策略实现的功能较为单一，目前主流的升压交错并联boost型dcdc变换器常用的控制策略为恒流-恒压控制，该控制策略不能处理未来多模块并联燃料电池系统能量多向流动发展背景下的取能需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构，包括：依次连接的boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构；所述boost变换器拓扑结构的输入侧与燃料电池连接，所述boost变换器拓扑结构的输出侧与燃料电池系统的其他关键零部件和所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧连接；所述其他关键零部件包括：空压机和氢气循环泵；所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧与动力电池连接；在所述燃料电池系统不同的运行状态下，所述boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变。

4、可选地，其特征在于，在所述燃料电池不同的运行状态下，所述boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构使用情况发生改变，具体包括：

5、起动时，所述燃料电池未上电，所述动力电池经由所述双向全桥变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电，此时，所述boost变换器拓扑结构未使用；

6、所述燃料电池起动完成后，所述燃料电池经由所述boost变换器拓扑结构为所述燃料电池系统的其他关键零部件进行供电，经由所述boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构为所述动力电池供电，此时所述boost变换器拓扑结构和所述双向全桥变换器拓扑结构同时使用。

7、可选地，所述boost变换器拓扑结构包括：功率开关管q9、电感l2、滤波电容cf2以及二极管d9，所述电感l2的一端与所述燃料电池的正极连接，所述电感l2的另一端分别与所述功率开关管q9的漏极以及二极管d9的正极连接，所述二极管d9的负极分别与所述滤波电容cf2的一端、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池系统的其他关键零部件连接，所述滤波电容cf2的另一端分别与所述功率开关管q9的源极、所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧以及所述燃料电池的负极连接。

8、可选地，所述双向全桥变换器拓扑结构包括：左侧拓扑结构、电感l1、变压器、右侧拓扑结构以及滤波电容cf1；所述左侧拓扑结构的输入侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输入侧，所述右侧拓扑结构的输出侧为所述双向全桥变换器拓扑结构的输出侧；

9、所述左侧拓扑结构的输入侧分别与所述二极管d9的负极以及所述滤波电容cf2的另一端连接，所述左侧拓扑结构的输出测分别与所述电感l1的一端以及变压器原边线圈的另一端连接，所述电感l1的另一端与所述变压器原边线圈的一端连接；所述变压器副边线圈与所述右侧拓扑结构的输入侧连接；所述滤波电容cf1并联在所述右侧拓扑结构的输入侧；所述动力电池并联在所述滤波电容cf1的两侧。

10、可选地，所述左侧拓扑结构包括：功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q3、功率开关管q4、二极管d1、二极管d2、二极管d3以及二极管d4；

11、所述功率开关管q1的漏极分别与所述二极管d9的负极、所述滤波电容cf2的一端、所述二极管d1的负极、所述功率开关管q3的漏极以及所述二极管d3的负极连接，所述功率开关管q1的源极分别与所述二极管d1的正极、所述电感l1的一端、所述功率开关管q2的漏极以及所述二极管d2的负极连接；所述功率开关管q2的源极分别与所述滤波电容cf2的另一端、所述二极管d3的正极、所述功率开关管q4的源极以及所述二极管d4的正极连接；所述功率开关管q3的源极分别与所述二极管d3的正极、所述功率开关管q4的漏极、所述二极管d4的负极以及所述变压器原边线圈的另一端连接；所述电感的l1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。

12、可选地，所述右侧拓扑结构包括：功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、电感l1、滤波电容cf1以及变压器；

13、所述功率开关管q5的漏极分别与所述二极管d5的负极、所述功率开关管q7的漏极、所述二极管d7的负极、所述滤波电容cf1的一端以及所述动力电池的正极连接，所述功率开关管q5的源极分别与所述变压器副边线圈的一端、所述二极管d5的正极、所述功率开关管q6的漏极以及所述二极管d6的负极连接；所述功率开关管q6的源极分别与所述二极管d6的正极、所述功率开关管q8的源极、所述二极管d8的正极、所述滤波电容cf1的另一端以及所述动力电池的负极连接；所述功率开关管q7的源极分别与所述二极管d7的正极、所述功率开关管q8的漏极、所述二极管d8的负极以及所述变压器副边线圈的另一端连接；所述电感的l1另一端与所述变压器原边线圈的一端连接。

14、可选地，所述滤波电容cf2侧还布设有电压传感器；所述电感l2侧布设有电流传感器。

15、可选地，所述功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q3、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8以及功率开关管q9处均布设有温度传感器。

16、可选地，所述用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构能够防止母线电压突增过快，具体包括：

17、当所述燃料电池系统整体起动时，所述燃料电池尚未开机，需要所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电，起动采用pwm占空比递增法，优先起动所述功率开关管q5、所述功率开关管q6、所述功率开关管q7以及所述功率开关管q8；

18、起动时监测电压传感器采集到的电压vdc的电压变化率和电压值，当vdc的电压变化率超过设定阈值时，降低占空比的增加速率，为了防止vdc超压，同时设置vdc限压保护算法，直至vdc达到预设电压；

19、待vdc电压稳定及所述燃料电池正常运行后，允许所述boost变换器拓扑结构引入所述燃料电池产生电，所述功率开关管q9开启的同时开启功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q3和功率开关管q4。

20、可选地，所述用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构能够根据能量流动需求设置能量传递方向，具体包括：

21、当所述燃料电池系统起动时，所述动力电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电，所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述右侧拓扑结构流向所述左侧拓扑结构；

22、当所述燃料电池系统正常运行后，所述燃料电池为所述燃料电池系统的其他关键零部件供电，此时所述双向全桥变换器拓扑结构的能量流动方向从所述左侧拓扑结构流向所述右侧拓扑结构。

23、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

24、本发明提供的用于燃料电池系统的隔离型dcdc变换器拓扑结构在兼顾燃料电池系统所需的绝缘性能以及高效率的基础上，可以使得燃料电池系统的能量实现燃料电池、动力电池及燃料电池系统其他关键零部件之间的三向流动，并根据燃料电池系统的不同运行状态，对boost变换器拓扑结构和双向全桥变换器拓扑结构的使用情况进行改变，可以有效克服dcdc变换器使用单一隔离型拓扑结构效率低的缺点。