CN104734512A - 一种燃料电池dc/dc变换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池DC/DC变换装置及其控制方法，该装置包括用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，升压斩波电路输入端连接于燃料电池，输出端连接于全桥直流变换器，全桥直流变换器输出端连接于负载电路，当该燃料电池输出电压在燃料电池开路电压与一预设值之间时，升压斩波电路停止工作，由全桥直流变换器给负载电路进行电力变换，当燃料电池输出电压小于预设值Vr1时，升压斩波电路将升压斩波电路的输出电压提高至预设值。当燃料电池的输出电压小于预设定值Vr2时，DC/DC变换装置将减小输出使燃料电池的电压不低于预设定值Vr2。

Description

一种燃料电池DC/DC变换装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换装置，特别涉及一种燃料电池的DC/DC变换装置及其控制方法。

背景技术

燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。燃料电池备用电源已经开始在一些行业如通信行业中使用。虽然燃料电池产生的是直流电，但是电压变化范围随负载波动较大，所以燃料电池一般不直接给通信负载供电。现有的技术通常将燃料电池产生的直流电经过DC/DC变换后给通信负载。当燃料电池开路电压高于通信电源电压，同时额定工作电压低于通信电源电压时，需要对燃料电池输出的直流电做升压和降价变换。例如发明专利201110170153,5只能实现燃料电池的升压。已有的通信直流变换装置不能满足在大范围直流输入下工作在升压状态和降压状态的要求。单个直流变换或者简单的将升压直流变换装置与降压直流装置串联使用，整体变换的效率很难达到预定要求。并且燃料电池随着使用时间的增加，最大功率将缓慢降低。当燃料电池衰减后的最大功率低于直流变换装置的限定功率时，负载短时的突变可能使直流变换装置输入端电压低于欠压点进入欠压保护，然后重启，并重复该过程。这样的短时往复重启会影响***的正常工作以及***的寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其能够实现升压变换也能够实现降压变换，同时能够保证***效率的燃料电池DC/DC变换装置。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其包括用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，所述升压斩波电路能够将输入电压变换为一个稳定的输出电压给所述全桥直流变换器，让所述全桥直流变换器电路工作在较优的工作点，防止所述全桥直流变换器的输入出现大范围波动，从而从硬件保证了电路能够实现直流升压和降压功能的同时提高了整体***的效率。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其中所述全桥直流变换器电路采用功率变压器实现输入与输出的隔离，防止应用的负载电路与燃料电池之间的干扰。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其中当所述燃料电池输出电压足够高时，所述升压斩波电路不工作，整个***由所述全桥直流变换器给负载电路进行电力变换，减少了变换的环节，客服了低功率情况下***效率低的缺点。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其中当所述燃料电池输出电压低于预定的数值时，所述升压斩波电路进行升压调节，使燃料电池工作在欠压点之上，从而提高***的稳定性。

为达到以上目的，本发明提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其包括用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，所述升压斩波电路的输入端连接于燃料电池，输出端连接于所述全桥直流变换器，所述全桥直流变换器的输出端连接于负载电路，当所述燃料电池的输出电压在所述燃料电池的开路电压与一预设值Vr1之间时，所述升压斩波电路停止工作，由所述全桥直流变换器给所述负载电路进行电力变换，当所述燃料电池的输出电压小于所述预设值Vr1时，所述升压斩波电路将所述升压斩波电路的输出电压提高至所述预设值。

根据本发明的一个实施例，所述燃料电池DC/DC变换装置还包括用于检测所述燃料电池输出电压以及所述升压斩波电路的输出电压的第一检测电路，以及用于检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压和电流的第二检测电路，以及控制器，所述控制器分析处理所述第一检测电路以及所述第二检测电路检测到的数据并控制所述升压斩波电路以及所述全桥直流变换器的操作。

根据本发明的一个实施例，所述第一检测电路包括用于检测所述燃料电池输出电压的第一电压检测电路，以及用于检测所述升压斩波电路的输出电压的第二电压检测电路，所述第一电压检测电路的一端连接于所述燃料电池与所述升压斩波电路之间，另一端与所述控制器连接，所述第二电压检测电路一端连接于所述升压斩波电路与所述全桥直流变换器，另一端与所述控制器连接。

根据本发明的一个实施例，所述第二检测电路包括检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电流的电流检测电路，以及用于检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压的第三电压检测电路，所述电流检测电路一端连接于所述全桥直流变换器与所述负载电路之间，另一端与所述控制器连接，所述第三电压检测电路一端连接于所述全桥直流变换器与所述负载电路之间，另一端连接于所述控制器。

根据本发明的一个实施例，所述控制器包括控制芯片，以及用于对所述升压斩波电路和所述全桥直流变换器中的场效应管控制信号进行驱动隔离的脉宽调制驱动隔离电路，所述控制芯片与所述第一检测电路和所述第二检测电路连接，以计算出所述升压斩波电路和所述全桥直流变换器中的场效应管控制的开关时间，并将信号传给所述脉宽调制驱动隔离电路，所述脉宽调制驱动隔离电路将招收到的所述信号进行隔离变换。

根据本发明的一个实施例，所述升压斩波电路包括储能电感，防反二极管，场效应开关管和滤波电容，所述的储能电感一端与所述燃料电池连接，另外一端连接在所述场效应开关管的漏极与所述防反二极管的阳极之间，所述防反二极管的阴极连接在所述滤波电容的正极与所述全桥直流变换器的输入端之间，所述场效应开关管的门极与所述脉宽调制驱动隔离电路连接，所述场效应开关管的源极连接在所述燃料电池与所述滤波电容的负极之间，所述滤波电容的负极与所述全桥直流变换器连接。

根据本发明的一个实施例，所述全桥直流变换器包括可操作地连接的场效应管，隔直电容，功率变压器，半桥整流二极管，滤波电感，滤波电阻，以及滤波电容。

根据本发明的一个实施例，所述全桥直流变换器的所述场效应管包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，所述半桥整流二极管包括第一半桥整流二极管、第二半桥整流二极管、第三半桥整流二极管和第四半桥整流二极管，所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感，所述的第二场效应管的漏极位于所述升压斩波电路的滤波电容的正极与所述第一场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述隔直电容与所述第三场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述功率变压器的第一脚与所述第四场效应管的漏极之间，所述第三场效应管源极位于所述升压斩波电路的滤波电容的负极与所述第四场效应管的源极之间，所述隔直电容一端位于所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极之间，另外一端与所述功率变压器第二脚连接，所述第一半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第十脚连接，阳极位于所述第二半桥整流二极管的阳极与所述第二滤波电感之间，所述第二半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第七脚连接，所述第三半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第六脚连接，阳极位于所述第四半桥整流二极管的阳极与所述第一滤波电感之间，所述第四半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第三脚连接，所述第二滤波电感一端位于所述第一半桥整流二极管的阳极与所述第二半桥整流二极管的阳极之间，另外一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的负极之间，所述滤波电阻的一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容负极之间，另外一端位于所述全桥直流变换器的所述滤波电容与所述功率变压器第四脚之间，所述功率变压器第四脚位于所述功率变压器第五脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容正极之间，所述功率变压器第八脚位于所述功率变压器第九脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的正极之间。

根据本发明的一个实施例，当燃料电池的输出电压小于预设定值Vr2时，DC/DC变换装置将减小输出使燃料电池的电压不低于预设定值Vr2。。

根据本发明的一个实施例，所述预设值Vr1在42～50V之间，所述的预设值Vr2在26～30V之间，所述的最低工作电压Vr3在23～25V之间。。

本发明还提供一种燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，所述燃料电池DC/DC变换装置包括用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，所述方法包括如下步骤：

（a）当检测到所述燃料电池的输出电压Ve在所述燃料电池的开路电压与一预设值Vr1之间时，所述升压斩波电路停止工作，由所述全桥直流变换器给所述负载电路进行电力变换；以及

（b）当检测到所述燃料电池的输出电压Ve小于所述预设值Vr1时，所述升压斩波电路将所述升压斩波电路的输出电压提高至所述预设值。

根据本发明的一个实施例，在上述控制方法中，所述全桥直流变换器包括可操作地连接的场效应管，隔直电容，功率变压器，半桥整流二极管，滤波电感，滤波电阻，以及滤波电容，所述全桥直流变换器的所述场效应管包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，所述半桥整流二极管包括第一半桥整流二极管、第二半桥整流二极管、第三半桥整流二极管和第四半桥整流二极管，所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感，所述的第二场效应管的漏极位于所述升压斩波电路的滤波电容的正极与所述第一场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述隔直电容与所述第三场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述功率变压器的第一脚与所述第四场效应管的漏极之间，所述第三场效应管源极位于所述升压斩波电路的滤波电容的负极与所述第四场效应管的源极之间，所述隔直电容一端位于所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极之间，另外一端与所述功率变压器第二脚连接，所述第一半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第十脚连接，阳极位于所述第二半桥整流二极管的阳极与所述第二滤波电感之间，所述第二半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第七脚连接，所述第三半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第六脚连接，阳极位于所述第四半桥整流二极管的阳极与所述第一滤波电感之间，所述第四半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第三脚连接，所述第二滤波电感一端位于所述第一半桥整流二极管的阳极与所述第二半桥整流二极管的阳极之间，另外一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的负极之间，所述滤波电阻的一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容负极之间，另外一端位于所述全桥直流变换器的所述滤波电容与所述功率变压器第四脚之间，所述功率变压器第四脚位于所述功率变压器第五脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容正极之间，所述功率变压器第八脚位于所述功率变压器第九脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的正极之间

根据本发明的一个实施例，所述预设值Vr1在42～50V之间，所述的预设值Vr2在26～30V之间，所述的最低工作电压Vr3在23～25V之间。。

根据本发明的一个实施例，检测到所述升压斩波电路的输出电压为Vb，并且以如下的方式通过改变所述升压斩波电路的场效应开关管控制信号的占空比调节所述升压斩波电路的输出电压Vb：

（c）当Ve>Vr1时，所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制器给所述场效应开关管控制信号的占空比为0，以使所述场均应开关管停止工作；以及

（d）当Ve≤Vr1，所述控制器通过改变所述场效应开关管控制信号的占空比，调节滤波电路的输出电压Vb，使Vb等于所述预设值Vr1。

根据本发明的一个实施例，所述全桥直流变换器中的所述第一以及第四场效应管同时导通同时关断，其对应的控制信号脉宽调制的占空比为Ton，所述第二以及第三场效应管同时导通同时关断，其对应的控制信号的脉宽调制占空比为1-Ton-Td，其中Td为死区时间，所述控制器通过控制Ton的大小即可控制所述全桥直流变换器的输出电压与电流。

根据本发明的一个实施例，所述控制器接收到的测量燃料电池的输入电压为Ve，所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压Vo和输出电流Io，根据负载电路设定的额定工作电压设定值Vr4，最大输出电流限制值Ir1，根据燃料电池特性设定的燃料电池预设工作电压Vr2，其控制所述全桥直流变换器中的脉宽调制占空比Ton的方法如下：

（1）E1(k)=Ve(k)-Vr2，EC1(k)=(1-a1)*(E1(k)-E1(k-1))+a1*EC1(k-1)，其中a1为设定系数；

（2）根据步骤（1）得到的误差E1(k)和误差变化率EC1(k)通过PID计算出输出PID1(k)，如果PID1(k)≥Vr4，PID1(k)等于Vr4；

（3）E2(k)=PID1(k)-Vo(k)，EC2(k)=(1-a2)*(E2(k)-E2(k-1))+a2*EC2(k-1)，其中a2为设定系数；

（4）根据步骤（3）得到的误差E2(k)和误差变化率EC2(k)通过PID计算出输出PID2(k)，如果PID2(k)≥Ir1，PID2(k)等于Ir1；

（5）E3(k)=PID2(k)-Io(k)，EC3(k)=(1-a3)*(E3(k)-E3(k-1))+a3*EC3(k-1)，其中a3为设定系数；

（6）根据步骤（5）得到的误差E3(k)和误差变化率EC3(k)通过PID计算出输出PID3(k)，PID3(k)即为控制器(6)输出给全桥直流变换器(3)的PWM控制占空比Ton；其中，k为本次值，k-1为上一次的值。

本发明的有益效果在于，通过可选择的两种电压调节方式，即升压斩波电路的升压调节，以及单独由全桥直流变换器的调节，所述燃料电池DC/DC变换装置客服了低功率情况下***效率低的缺点，并且可以避免负载短时的突变使直流变换装置输入端电压低于欠压点而进入欠压保护然后重启并且重复该过程导致缩短***的寿命。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施例的燃料电池的DC/DC变换装置的电路结构示意图。具体实施方式

本发明提供一种燃料电池DC/DC变换装置，其包括用于实现升压的Boost斩波电路(2)和实现隔离与降压的全桥直流变换器(3)；还包括检测燃料电池输出电压与Boost输出电压的检测电路(5)，检测***输出电压电流的检测电路（7），和***的控制器(6)；所述的Boost斩波电路(2)的输入与燃料电池的输出直流母线(1)连接，Boost斩波电路(2)的输出与全桥直流变换器(3)连接；所述的全桥直流变换器(3)的输出与通信负载(4)连接，全桥直流变换器(3)的输入与Boost斩波电路(2)连接；所述的检测电路(5)，包含用于检测燃料电池输出电压的电压检测Ⅰ(5.1)和用于检测Boost斩波电路(2)输出电压的电压检测Ⅱ(5.2)组成；所述的电压检测Ⅰ(5.1)一端连接在燃料电池输出母线(1)与Boost斩波电路(2)输入之间，另外一端与控制器(6)连接；所述的电压检测Ⅱ(5.2)一端连接在Boost斩波电路(2)输出与全桥直流变换器(3)输入之间，另外一端与控制器(6)连接；所述检测电路(7)一端连接在全桥直流变换器(3)输出与通信负载(4)之间，另外一端与控制器(6)连接。

采用以上结构后，本发明种燃料电池直流变换装置与现有技术比，具有以下优点：本发明的Boost斩波电路(2)能够将输入电压变换为一个稳定的输出电压给全桥直流变换器(3)，让全桥直流变换器(3)电路工作在较优的工作点，防止全桥直流变换器(3)的输入出现大范围波动，从而从硬件保证了电路能够实现直流升压和降压功能的同时提高了整体***的效率。全桥直流变换器(3)电路采用功率变压器实现输入与输出的隔离，防止通信负载与燃料电池之间的干扰。

所述的检测电路(7)包括用于检测变换装置输出电流的电流检测Ⅰ(7.1)和检测输出电压的电压检测Ⅲ(7.2)组成；所述的电流检测Ⅰ(7.1)一端连接在全桥直流变换器(3)输出与通信负载(4)之间，另外一端与控制器(6)连接；所述的电压检测Ⅲ(7.2)一端连接在全桥直流变换器(3)输出与通信负载(4)之间，另外一端与控制器(6)连接；

所述的控制器(6)包括实现整个***控制算法的控制芯片MCU(6.1)和对Boost斩波电路(2)与全桥直流变换器(3)中的MOS管控制信号进行驱动隔离的PWM驱动隔离电路（6.2）；所述的控制芯片MCU(6.1)的AD输入与电压检测Ⅰ(5.1)，电压检测Ⅱ(5.2)，流的电流检测Ⅰ(7.1)，和检测输出电压的电压检测Ⅲ(7.2)连接，通过控制算法，计算出Boost斩波电路(2)与全桥直流变换器(3)中的MOS管控制的开关时间，并将信号传给PWM驱动隔离电路（6.2）；所述的PWM驱动隔离电路（6.2）将接收的信号进行隔离变换，将PWM信号g1与Boost斩波电路(2)中MOS管(2.3)的门极连接，将PWM信号g2与全桥直流变换器(3)中MOS管(3.1)的门极连接，将PWM信号g3与全桥直流变换器(3)中MOS管(3.3)的门极连接，将PWM信号g4与全桥直流变换器(3)中MOS管(3.4)的门极连接，将PWM信号g5与全桥直流变换器(3)中MOS管(3.2)的门极连接。

进一步地，所述的Boost斩波电路(2)包括储能电感(2.1)，防反二极管(2.2)，MOS开关管(2.3)和滤波电容(2.4)；所述的储能电感(2.1)一端与燃料电池的输出(1)连接，另外一端连接在MOS开关管(2.3)漏极与防反二极管(2.2)的阳极之间；所述的防反二极管(2.2)阴极连接在滤波电容(2.4)正极与全桥直流变换器(3)输入之间；所述的MOS开关管(2.3)的门极与PWM隔离驱动电路的g1信号连接，MOS开关管的源极连接在燃料电池的输出与滤波电容负极之间；所述的滤波电负极与全桥直流变换器(3)连接

进一步地，全桥直流变换器(3)包括MOS管(3.1)，MOS管(3.2)，MOS管(3.3)，MOS管(3.4)，隔直电容(3.5)，功率变压器（3.6），半桥整流二极管(3.7)，(3.8)，（3.9），（3.10），滤波电感(3.11)，（3.12），滤波电阻(3.13)，滤波电容(3.14)；所述的MOS管（3.2）的漏极位于滤波电容(2.4)正极与MOS管(3.2)漏极之间，MOS管（3.2）的源极位于隔直电容(3.5)与MOS管（3.3）的漏极之间；所述的MOS管（3.2）的源极位于功率变压器①脚与MOS管（3.4）的漏极之间；所述的MOS管（3.3）源极位于滤波电容(2.4)负极与MOS管（3.4）的源极之间；所述的隔直电容(3.5)一端位于MOS管（3.1）源极与MOS管（3.3）漏极之间，另外一端与功率变压器②连接；所述的半桥整流二极管(3.7)阴极与功率变压器⑩脚连接，阳极位于半桥整流二极管(3.8)阳极与滤波电感(3.12)之间；所述的半桥整流二极管(3.8)的阴极与功率变压器⑦脚连接；所述的半桥整流二极管(3.9)阴极与功率变压器⑥脚连接，阳极位于半桥整流二极管(3.10)阳极与滤波电感(3.11)之间；所述的半桥整流二极管(3.10)的阴极与功率变压器③脚连接；所述的滤波电感(3.12)一端位于半桥整流二极管(3.7)阳极与半桥整流二极管(3.8)阳极之间，另外一端位于滤波电感(3.11)与滤波电容(3.14)负极之间；所述的滤波电阻，一端位于滤波电感（3.11）与滤波电容负极之间，另外一端位于滤波电容，与功率变压器④脚之间。所述的功率变压器④脚位于功率变压器⑤脚与滤波电容正极之间；所述的功率变压器⑧脚位于功率变压器⑨脚与滤波电容正极之间

本发明的燃料电池直流变换装置的控制方法，其包括如下步骤。

（1）控制器(6)接收电压检测Ⅰ（5.1）测量燃料电池的输出电压为Ve，电压检测Ⅱ（5.2）检测的Boost斩波电路(2)输出电压为Vb和根据硬件特性设定Boost斩波电路(2)的输出电压设定值为Vr1（42<Vr1<50V），通过改变MOS管（2.3）控制信号g1的占空比调节Boost斩波电路(2)输出电压，具体包括：

①当Ve>Vr1时，控制器(6)给定MOS管（2.3）控制信号g1的占空比为0，即MOS管（2.3）停止工作；

②Ve≤Vr1，控制器(6)通过改变g1信号的占空比，调节滤波电路(2)输出电压为Vb，使Vb等于设定电压Vr1。

(2)全桥直流变换器(3)中的MOS管(3.1)，（3.4）同时导通同时关断，其控制信号g2，g4的PWM的占空比为Ton，MOS管(3.2)，(3.3)同时导通同时关断，其控制信号g3，g5的PWM占空比为1-Ton-Td，其中Td为死区时间；控制器(6)通过控制Ton的大小即可控制全桥直流变换器(3)输出电压与电流；

(3)控制器(6)接收电压检测Ⅰ（5.1）测量燃料电池的输入电压为Ve，电压检测Ⅲ(7.2)变换装置的输出电压Vo和电流检测Ⅰ(7.1)测量的变换装置的输出电流Io，根据通信负载设定的额定工作电压设定值Vr4，最大输出电流限制值Ir1，根据燃料电池特性设定的燃料电池预设工作电压Vr2（26～30V）；其控制全桥直流变换器(3)中的PWM占空比Ton的方法如下：

①E1(k)=Ve(k)-Vr2，EC1(k)=(1-a1)*(E1(k)-E1(k-1))+a1*EC1(k-1)，其中a1为设定系数；

②根据步骤①得到的误差E1(k)和误差变化率EC1(k)通过PID计算出输出PID1(k)，如果PID1(k)≥Vr4，PID1(k)等于Vr4；

③E2(k)=PID1(k)-Vo(k)，EC2(k)=(1-a2)*(E2(k)-E2(k-1))+a2*EC2(k-1)，其中a2为设定系数；

④根据步骤③得到的误差E2(k)和误差变化率EC2(k)通过PID计算出输出PID2(k)，如果PID2(k)≥Ir1，PID2(k)等于Ir1；

⑤E3(k)=PID2(k)-Io(k)，EC3(k)=(1-a3)*(E3(k)-E3(k-1))+a3*EC3(k-1)，其中a3为设定系数；

⑥根据步骤⑤得到的误差E3(k)和误差变化率EC3(k)通过PID计算出输出PID3(k)，PID3(k)即为控制器(6)输出给全桥直流变换器(3)的PWM控制占空比Ton。

其中，k为本次值，k-1为上一次的值。

采用以上控制方法后，发明的一种通信用燃料电池DC/DC变换装置与现有技术相比，具有以下优点：

当燃料电池的输出电压为Ve在燃料电池开路电压与Vr1电压之间时，停止Boost电路的工作，此时燃料电池工作在低负载下。由于DC/DC变换装置在低负载下效率较低，通过停止Boost电路的工作，单独由全桥直流变换器给通信负载进行电力变换，减少了变换的环节，客服了低功率情况下***效率低的缺点。其次通过引入基于燃料电池输出电压Ve的电压外环控制***，使燃料电池工作在设定电压Vr2之上，可以避免负载短时的突变使直流变换装置输入端电压低于欠压点进入欠压保护，然后重启，并重复该过程。这些缺点的克服，不但提高***的效率，同时提高***的稳定性，延长***的寿命。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在不背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (16)

1.一种燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，包括：

用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，所述升压斩波电路的输入端连接于燃料电池，输出端连接于所述全桥直流变换器，所述全桥直流变换器的输出端连接于负载电路，当所述燃料电池的输出电压在所述燃料电池的开路电压与一预设值Vr1之间时，所述升压斩波电路停止工作，由所述全桥直流变换器给所述负载电路进行电力变换，当所述燃料电池的输出电压小于所述预设值Vr1时，所述升压斩波电路将所述升压斩波电路的输出电压提高至所述预设值；当燃料电池的输出电压小于预设定值Vr2时，DC/DC变换装置将减小输出使燃料电池的电压不低于预设定值Vr2。。

2.根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，还包括用于检测所述燃料电池输出电压以及所述升压斩波电路的输出电压的第一检测电路，以及用于检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压和电流的第二检测电路，以及控制器，所述控制器分析处理所述第一检测电路以及所述第二检测电路检测到的数据并控制所述升压斩波电路以及所述全桥直流变换器的操作。

3.根据权利要求2所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述第一检测电路包括用于检测所述燃料电池输出电压的第一电压检测电路，以及用于检测所述升压斩波电路的输出电压的第二电压检测电路，所述第一电压检测电路的一端连接于所述燃料电池与所述升压斩波电路之间，另一端与所述控制器连接，所述第二电压检测电路一端连接于所述升压斩波电路与所述全桥直流变换器，另一端与所述控制器连接。

4.根据权利要求2所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述第二检测电路包括检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电流的电流检测电路，以及用于检测所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压的第三电压检测电路，所述电流检测电路一端连接于所述全桥直流变换器与所述负载电路之间，另一端与所述控制器连接，所述第三电压检测电路一端连接于所述全桥直流变换器与所述负载电路之间，另一端连接于所述控制器。

5.根据权利要求2至4中任一所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述控制器包括控制芯片，以及用于对所述升压斩波电路和所述全桥直流变换器中的场效应管控制信号进行驱动隔离的脉宽调制驱动隔离电路，所述控制芯片与所述第一检测电路和所述第二检测电路连接，以计算出所述升压斩波电路和所述全桥直流变换器中的场效应管控制的开关时间，并将信号传给所述脉宽调制驱动隔离电路，所述脉宽调制驱动隔离电路将收到的所述信号进行隔离变换。

6.根据权利要求5所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述升压斩波电路包括储能电感，防反二极管，场效应开关管和滤波电容，所述的储能电感一端与所述燃料电池连接，另外一端连接在所述场效应开关管的漏极与所述防反二极管的阳极之间，所述防反二极管的阴极连接在所述滤波电容的正极与所述全桥直流变换器的输入端之间，所述场效应开关管的门极与所述脉宽调制驱动隔离电路连接，所述场效应开关管的源极连接在所述燃料电池与所述滤波电容的负极之间，所述滤波电容的负极与所述全桥直流变换器连接。

7.根据权利要求6所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述全桥直流变换器包括可操作地连接的场效应管，隔直电容，功率变压器，半桥整流二极管，滤波电感，滤波电阻，以及滤波电容。

8.根据权利要求7所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述全桥直流变换器的所述场效应管包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，所述半桥整流二极管包括第一半桥整流二极管、第二半桥整流二极管、第三半桥整流二极管和第四半桥整流二极管，所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感，所述的第二场效应管的漏极位于所述升压斩波电路的滤波电容的正极与所述第一场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述隔直电容与所述第三场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述功率变压器的第一脚与所述第四场效应管的漏极之间，所述第三场效应管源极位于所述升压斩波电路的滤波电容的负极与所述第四场效应管的源极之间，所述隔直电容一端位于所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极之间，另外一端与所述功率变压器第二脚连接，所述第一半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第十脚连接，阳极位于所述第二半桥整流二极管的阳极与所述第二滤波电感之间，所述第二半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第七脚连接，所述第三半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第六脚连接，阳极位于所述第四半桥整流二极管的阳极与所述第一滤波电感之间，所述第四半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第三脚连接，所述第二滤波电感一端位于所述第一半桥整流二极管的阳极与所述第二半桥整流二极管的阳极之间，另外一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的负极之间，所述滤波电阻的一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容负极之间，另外一端位于所述全桥直流变换器的所述滤波电容与所述功率变压器第四脚之间，所述功率变压器第四脚位于所述功率变压器第五脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容正极之间，所述功率变压器第八脚位于所述功率变压器第九脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的正极之间。

9.根据权利要求1所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述预设值Vr1大于预设值Vr2，所述的预设值Vr2大于所述燃料电池最低工作电压Vr3的欠压点的电压数值。

10.根据权利要求9所述的燃料电池DC/DC变换装置，其特征在于，所述预设值Vr1在42～50V之间，所述的预设值Vr2在26～30V之间，所述的最低工作电压Vr3在23～25V之间。

11.一种燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，所述燃料电池DC/DC变换装置包括用于实现升压的升压斩波电路，以及实现隔离和降压的全桥直流变换器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（a）当检测到所述燃料电池的输出电压Ve在所述燃料电池的开路电压与一预设值Vr1之间时，所述升压斩波电路停止工作，由所述全桥直流变换器给所述负载电路进行电力变换；

（b）当检测到所述燃料电池的输出电压Ve小于所述预设值Vr1时，所述升压斩波电路将所述升压斩波电路的输出电压提高至所述预设值。

12.根据权利要求11所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，其特征在于，所述全桥直流变换器包括可操作地连接的场效应管，隔直电容，功率变压器，半桥整流二极管，滤波电感，滤波电阻，以及滤波电容，所述全桥直流变换器的所述场效应管包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，所述半桥整流二极管包括第一半桥整流二极管、第二半桥整流二极管、第三半桥整流二极管和第四半桥整流二极管，所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感，所述的第二场效应管的漏极位于所述升压斩波电路的滤波电容的正极与所述第一场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述隔直电容与所述第三场效应管的漏极之间，所述第二场效应管的源极位于所述功率变压器的第一脚与所述第四场效应管的漏极之间，所述第三场效应管源极位于所述升压斩波电路的滤波电容的负极与所述第四场效应管的源极之间，所述隔直电容一端位于所述第一场效应管的源极与所述第三场效应管的漏极之间，另外一端与所述功率变压器第二脚连接，所述第一半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第十脚连接，阳极位于所述第二半桥整流二极管的阳极与所述第二滤波电感之间，所述第二半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第七脚连接，所述第三半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第六脚连接，阳极位于所述第四半桥整流二极管的阳极与所述第一滤波电感之间，所述第四半桥整流二极管的阴极与所述功率变压器第三脚连接，所述第二滤波电感一端位于所述第一半桥整流二极管的阳极与所述第二半桥整流二极管的阳极之间，另外一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的负极之间，所述滤波电阻的一端位于所述第一滤波电感与所述全桥直流变换器的所述滤波电容负极之间，另外一端位于所述全桥直流变换器的所述滤波电容与所述功率变压器第四脚之间，所述功率变压器第四脚位于所述功率变压器第五脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容正极之间，所述功率变压器第八脚位于所述功率变压器第九脚与所述全桥直流变换器的所述滤波电容的正极之间

13.根据权利要求12所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，其特征在于，所述预设值Vr1在42～50V之间。

14.根据权利要求12所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，其特征在于，检测到所述升压斩波电路的输出电压为Vb，并且以如下的方式通过改变所述升压斩波电路的场效应开关管控制信号的占空比调节所述升压斩波电路的输出电压Vb：

（c）当Ve>Vr1时，所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制器给所述场效应开关管控制信号的占空比为0，以使所述场均应开关管停止工作；以及

（d）当Ve≤Vr1，所述控制器通过改变所述场效应开关管控制信号的占空比，调节滤波电路的输出电压Vb，使Vb等于所述预设值Vr1。

15.根据权利要求14所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，其特征在于，所述全桥直流变换器中的所述第一以及第四场效应管同时导通同时关断，其对应的控制信号脉宽调制的占空比为Ton，所述第二以及第三场效应管同时导通同时关断，其对应的控制信号的脉宽调制占空比为1-Ton-Td，其中Td为死区时间，所述控制器通过控制Ton的大小即可控制所述全桥直流变换器的输出电压与电流。

16.根据权利要求15所述的燃料电池DC/DC变换装置的控制方法，其特征在于，所述控制器接收到的测量燃料电池的输入电压为Ve，所述燃料电池DC/DC变换装置的输出电压Vo和输出电流Io，根据负载电路设定的额定工作电压设定值Vr4，最大输出电流限制值Ir1，根据燃料电池特性设定的燃料电池电压设定值Vr2,,其控制所述全桥直流变换器中的脉宽调制占空比Ton的方法如下：

（1）E1(k)=Ve(k)-Vr2，EC1(k)=(1-a1)*(E1(k)-E1(k-1))+a1*EC1(k-1)，其中a1为设定系数；

（2）根据步骤（1）得到的误差E1(k)和误差变化率EC1(k)通过PID计算出输出PID1(k)，如果PID1(k)≥Vr4，PID1(k)等于Vr4；

（3）E2(k)=PID1(k)-Vo(k)，EC2(k)=(1-a2)*(E2(k)-E2(k-1))+a2*EC2(k-1)，其中a2为设定系数；

（4）根据步骤（3）得到的误差E2(k)和误差变化率EC2(k)通过PID计算出输出PID2(k)，如果PID2(k)≥Ir1，PID2(k)等于Ir1；

（5）E3(k)=PID2(k)-Io(k)，EC3(k)=(1-a3)*(E3(k)-E3(k-1))+a3*EC3(k-1)，其中a3为设定系数；

（6）根据步骤（5）得到的误差E3(k)和误差变化率EC3(k)通过PID计算出输出PID3(k)，PID3(k)即为控制器(6)输出给全桥直流变换器(3)的PWM控制占空比Ton；其中，k为本次值，k-1为上一次的值。