一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构及控制方法

摘要

一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构及控制方法，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域。本申请的DC/DC变换器电路包括结构对称布置且并联连接的上桥电路和下桥电路，上桥电路包括串联连接的第一电感、第二开关管、第二电感、第二导通二极管和第一电容，燃料电池的正极端通过第一电感与第一开关管连接后接入燃料电池的负极端，燃料电池的正极端通过第一导通二极管连接在第二开关管和第二电感的中点，第二电感与第二导通二极管的中点通过第三开关管连接燃料电池的负极端；本申请解决传统升压拓扑升压比低的不足，抵消输入电压宽范围变化时对输出电压的扰动且不会有过高的成本。

权利要求

1.一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元、燃料电池、负载和DC/DC变换器电路，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载跨接在DC/DC变换器电路的输出端，其特征在于：DC/DC变换器电路包括结构对称布置且并联连接的上桥电路和下桥电路，上桥电路包括串联连接的第一电感、第二开关管、第二电感、第二导通二极管和第一电容，第一电容的另一端连接燃料电池的负极，燃料电池的正极端通过第一电感与第一开关管连接后接入燃料电池的负极端，燃料电池的正极端通过第一导通二极管连接在第二开关管和第二电感的中点，第二电感与第二导通二极管的中点通过第三开关管连接燃料电池的负极端。

2.根据权利要求1所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述下桥电路包括串联连接的第二电容、第三导通二极管、第四电感、第五开关管和第三电感，燃料电池的正极连接第二电容的一端，燃料电池的正极端通过第四开关管接入第三电感和第五开关管中点处，燃料电池的正极端通过第六开关管接入第三导通二极管和第四电感的中点处，第四导通二极管的正极端接在第五开关管与第四电感之间，第四导通二极管的负极端连接燃料电池的负极。

3.根据权利要求2所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述第一电容和第二电容的电感值相同。

4.根据权利要求2所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感的电感值相同。

5.根据权利要求2所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，其特征在于：控制单元的输出端连接第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，燃料电池的输入端和DC/DC变换器电路的输出端经分别于控制单元的反馈输入端建立连接。

6.一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，其特征在于：

所述高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构为权利要求2所述的高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构；

包括以下步骤：

a.设定参考电压Uref；

b.采集燃料电池的输入电压Uin和DC/DC变换器电路的输出电压UC1并进行数模转换；

c.将输出的电压值UC1与参考电压Uref比较得到比较误差信号，并送入PI控制器中得到相应的占空比，根据不同的占空比调节PWM波一个周期中ton和toff的时间，具体的，在ton时间段，第一开关管、第三开关管和第五开关管打开，第二开关管、第四开关管和第六开关管关断；

在toff时间段，第二开关管、第四开关管和第六开关管打开，第一开关管、第三开关管和第五开关管关断；

d.将PI控制器输出的信号与前馈控制器输出的信号求和；

e.将步骤d中求和后的信号作为输入信号送入控制信号d的传递函数中，得到调整后的输出电压值。

7.根据权利要求6所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，其特征在于：所述传递函数为占空比d与电压UC1的传递函数。

8.根据权利要求6所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，其特征在于：所述控制信号的传递函数的确定方法包括：构建在完整的PWM周期内DC/DC变换器电路的状态空间平均方程；

引入扰动小信号，即用IL1+IL2、UC1+UC2、Uin+Uin和d+d带入方程上述状态空间平均方程中，得到DC/DC变换器电路的小信号模型，IL1为第一电感的电流；

对得到的小信号模型进行化简，得到控制信号d电压UC1的传递函数。

说明书

一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构及控制方法

技术领域

[0001] 本申请所描述的实施例一般涉及直流变换器及其控制方法，属于新能源汽车动力系统设计与应用领域，尤其是，涉及一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法。

背景技术

[0002] 随着新能源汽车的推广，燃料电池汽车具有不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。但是必须在燃料电池的输出端与直流母线之间附加DC/DC(直流/直流)变换器，以解决燃料电池的输出电压范围宽、动态相应慢的缺点，进而使其满足整车的动力需求。该变换器的功能是保证燃料电池输出电压宽范围变化时与直流母线电压相匹配，同时保证较小的纹波。因此，燃料电池汽车DC/DC变换器在满足高升压比、高效率等功能的同时，还应尽量降低成本、提高稳定性与功率密度。当前燃料电池汽车DC/DC变换器的研究主要集中在隔离式与非隔离式拓扑上。隔离式拓扑因为有耦合变压器的存在，导致其体积大、成本高、效率相对较低；传统的非隔离升压拓扑(如boost、buck-boost等)虽然动态响应好、效率高，但是由于升压比低不能满足直流母线高电压平台的需求。

发明内容

[0003] 相应地，本发明的提供这样的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构及其控制方法，解决传统升压拓扑升压比低的不足，同时引入输入电压的前馈控制，可以抵消输入电压宽范围变化时对输出电压的扰动且不会有过高的成本。

[0004] 一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元、燃料电池、负载和DC/DC变换器电路，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载跨接在DC/DC变换器电路的输出端，DC/DC变换器电路包括结构对称布置且并联连接的上桥电路和下桥电路，上桥电路包括串联连接的第一电感、第二开关管、第二电感、第二导通二极管和第一电容，燃料电池的正极端通过第一电感与第一开关管连接后接入燃料电池的负极端，燃料电池的正极端通过第一导通二极管连接在第二开关管和第二电感的中点，第二电感与第二导通二极管的中点通过第三开关管连接燃料电池的负极端。

[0005] 进一步的，所述下桥电路包括串联连接的第二电容、第三导通二极管、第四电感、第五开关管和第三电感，燃料电池的正极端通过第四开关管接入第三电感和第五开关管中点处，燃料电池的正极端通过第六开关管接入第三导通二极管和第四电感的中点处，第四导通二极管的正极端接在第五开关管与第四电感之间，第四导通二极管的负极端连接燃料电池的负极。

[0006] 进一步的，所述第一电容和第二电容的电感值相同。

[0007] 进一步的，所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感的电感值相同。

[0008] 进一步的，控制单元的输出端连接第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，燃料电池的输入端和DC/DC变换器电路的输出端经分别于控制单元的反馈输入端建立连接。

[0009] 一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，包括以下步骤：

[0010] a.设定参考电压Uref；

[0011] b.采集燃料电池的输入电压Uin和DC/DC变换器电路的输出电压UC1并进行数模转换；

[0012] c.将输出的电压值UC1与参考电压Uref比较得到比较误差信号，并送入PI控制器中得到相应的占空比，根据不同的占空比调节PWM波一个周期中ton和toff的时间，具体的，[0013] 在ton时间段，第一开关管、第三开关管和第五开关管打开，第二开关管、第四开关管和第六开关管关断；

[0014] 在toff时间段，第二开关管、第四开关管和第六开关管打开，第一开关管、第三开关管和第五开关管关断；

[0015] d.将PI控制器输出的信号与前馈控制器输出的信号求和；

[0016] e.将步骤d中求和后的信号作为输入信号送入控制信号d的传递函数中，得到调整后的输出电压值。

[0017] 进一步的，所述步骤e得到电压值UC1根据U0＝2UC1-Uin得到。

[0018] 进一步的，所述传递函数为占空比d与电压UC1的传递函数。

[0019] 进一步的，所述控制信号的传递函数的确定方法包括：

[0020] 构建在完整的PWM周期内DC/DC变换器电路的状态空间平均方程；

[0021] 引入扰动小信号，即用 Uin+Uin和d+d带入方程上述状态空间平均方程中，得到DC/DC变换器电路的小信号模型；

[0022] 对得到的小信号模型进行化简，得到控制信号d电压UC1的传递函数。

[0023] 本发明提出了一种非隔离DC/DC变换器的结构，能够大幅度提高升压比，解决传统升压拓扑升压比低的不足，同时引入输入电压的前馈控制，可以抵消输入电压宽范围变化时对输出电压的扰动且不会有过高的成本。同时，本发明专利针对提出的拓扑进行分析，利用状态空间平均法建立了数学模型，并给出了对应的控制方法，能够满足燃料电池汽车动力系统的动态响应要求与保证直流母线电压在燃料电池宽范围输出时的稳定性；本申请在燃料电池与直流母线之间没有隔离装置，提高了变换器效率；两个基本拓扑并联使用并采用180°移相控制时，燃料电池的电流波动很小，有利于延长燃料电池的使用寿命，引入输入电压的前馈控制，可以抵消输入电压宽范围变化时对输出电压的扰动，DC/DC变换器电路的升压比是传统Boost电路的1+3d倍，实现了大幅度升压的目的。

附图说明

[0024] 图1示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器结构框图；

[0025] 图2示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器结构控制单元的控制原理图；

[0026] 图3示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路在ton时段工作时的等效电路图；

[0027] 图4示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路在toff时段工作时的等效电路图；

[0028] 图5示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路的上桥电路的第一开关管和第三开关管的驱动信号波形图；

[0029] 图6示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路的上桥电路的第一开关管和第三开关管的电压波形图；

[0030] 图7示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路的上桥电路的电感电流波形图；

[0031] 图8示出了根据本发明的一个实施例的DC/DC变换器电路的上桥电路的第一电容的电压波形图；

[0032] 图9示出了根据本发明一个实施例的DC/DC变换器电路的电压波形图，图9a为输出电压波形图，图9b为第一电容的电压波形图，图9c为第二电容的电压波形图。

具体实施方式

[0033] 如图1所示，本实施例的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构，包括控制单元B和由燃料电池、负载R和DC/DC变换器电路构成的主电路A，燃料电池串接在DC/DC变换器电路的输入端，负载R跨接在DC/DC变换器电路的输出端，DC/DC变换器包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第一导通二极管D1、第二导通二极管D2、第三导通二极管D3和第四导通二极管D4构成的结构对称布置且并联连接的上桥电路和下桥电路；

[0034] 第一电感L1、第二开关管Q2、第二电感L2、第二导通二极管D2和第一电容C1依次串联连接后并接在燃料电池的两侧，第一开关管Q1一端接在第一电感L1和第二开关管Q2之间，第一开关管Q1的另一端接燃料电池的负极端，第三开关管Q3的一端接在第二电感L2和第二导通二极管D2之间，第三开关管Q3的另一端接燃料电池的负极端，第一导通二极管D1一端连接燃料电池的正极端，第一导通二极管D1的另一端连接第二开关管Q2和第二电感L2之间；

[0035] 第二电容C2、第三导通二极管D3、第四电感L4、第四电感L4依次串联后并接在燃料电池的两侧，第四开关管Q4的一端接在第三电感L3和第五开关管Q5之间，第四开关管Q4的另一端接燃料电池的正极端，第六开关管Q6的一端接在第四电感L4和第三导通二极管D3之间，第六开关管Q6的另一端接在燃料电池的正极端，第四导通二极管D4一端接燃料电池的负极端，第四导通二极管D4的另一端接在第五开关管Q5和第四电感L4之间；

[0036] 负载R的一端接在第二导通二极管D2与第一电容C1自检，负载R的另一端接在第二电容C2与第三导通二极管D3之间。

[0037] 控制单元的输出端连接第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，燃料电池的输入端和DC/DC变换器电路的输出端经分别于控制单元的反馈输入端建立连接。

[0038] 本实施例的所述第一电容C1和第二电容C2的电感值相同，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4的电感值相同。

[0039] 如图2所示，为本实施例的控制原理图，图中，Uref为所设定的参考电压，CPI(s)为所设计的电压环的PI控制器，k/Uin为前馈控制器，其中k为常数，此控制器的作用一是把输入电压的变化提前作用于占空比d，抵消输入电压变化时对输出的扰动；本实施例的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器结构的控制方法，具体工作包括以下步骤：

[0040] a.设定参考电压Uref；

[0041] b.采集燃料电池的输入电压Uin和DC/DC变换器电路的输出电压UC1并进行数模转换；

[0042] c.将输出的电压值UC1与参考电压Uref比较得到比较误差信号，并送入PI控制器中得到相应的占空比，根据不同的占空比调节PWM波一个周期中ton和toff的时间，具体的，[0043] 在ton时间段，第一开关管Q1、第三开关管Q3和第五开关管Q5打开，第二开关管Q2、第四开关管Q4和第六开关管Q6关断，燃料电池通过第一开关管Q1和第三开关管Q3对第一电感L1和第二电感L2进行充电，第三电感L3、第四电感L4和燃料电池串联向负载R供电，第一电容C1和第二电容C2向负载R供电，对应的状态方程为：

[0044]

[0045] 其中，Uin为变换器的输入电压，R代表负载；

[0046] 在toff时间段，第二开关管Q2、第四开关管Q4和第六开关管Q6打开，第一开关管Q1、第三开关管Q3和第五开关管Q5关断，燃料电池通过第四开关管Q4和第六开关管Q6向第三电感L3和第四电感L4充电，第一电感L1、第二电感L2和燃料电池串联向负载R供电，并且向第一电容C1充电，对应的状态方程为：

[0047]

[0048] d.将PI控制器输出的信号与前馈控制器输出的信号求和，用合适的K值除以输入电压，直接作用与占空比，当系统稳定运行时，当输入电压Uin突然增大或减小时，K/Uin就会相应减小或增大，从而很大程度上减少输入电压变换给输出带来的扰动；

[0049] e.将步骤d中求和后的信号送入控制信号d的传递函数中，得到输出电压值；

[0050] f.步骤e中的得到的电压值UC1与参考电压Uref比较：

[0051] 在一个完整的PWM周期内，变换器的状态空间平均方程为：

[0052]

[0053] 其中，和分别为一个PWM周期内，电感L1的电流IL1、电容C1的电压UC1、燃料电池输入电压Uin和PWM波占空比d的平均值。

[0054] 在建立系统状态平均值模型的基础上，引入小信号模型，建立所提拓扑的开环传递函数，具体的，首先，在DC/DC变换器电路稳定工作点处引入扰动小信号，即用Uin+Uin和d+d带入方程(3)，化简并舍掉高阶无穷小之后得所提拓扑的直流稳态模型为：

[0055]

[0056] 从中可得所提拓扑中Uin到 的升压比为 而 所以可以得到此拓扑的最终升压比为

[0057] 所得小信号模型为：

[0058]

[0059] 对式(5)进行拉普拉斯变换并化简得：

[0060]

[0061] 由式(6)可得，控制信号d电压UC1的传递函数为：

[0062]

[0063] 式中s代表复变量，R为负载阻值，根据式(7)所示的传递函数设计电压闭环控制系统，由于输入电压范围较宽，引入前馈控制来抵消输入电压变化带来的影响。

[0064] 如图5-图8所示，本实施例的每个周期燃料电池输出电流的波动变为单个部分电流波动的一半，有利于延长电池寿命，同时电压波动也是第一电容C1和第二电容C2波动的一半。

[0065] 由图9可见，输出电压波动为电容C1和C2电压波动的一半。

[0066] 本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。