CN110676835A - 一种用于氢燃料电池***的主动放电电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种用于氢燃料电池***的主动放电电路及方法，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。本发明实现了能够缩短放电时间，简化电路拓扑。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池***的主动放电电路及方法。
背景技术
以氢燃料电池为动力的新能源汽车中，主DC/DC变换器用于将氢电堆的能量输出到直流母线上，当***停止工作后，电堆中存在一定量的剩余氢气(余氢)，DC/DC变换器需要将余氢反应的能量在一定时间内释放掉，以避免余氢对电堆造成损伤。
当前将电堆剩余能量(余氢)释放掉的主要方法是通过电阻放电，将余氢能量通过电阻发热释放掉。电阻放电存在下面两个缺陷：一方面，放电时间长，以500欧姆的放电电阻为例，如果放电过程中电堆电压平均值为70v，那么放掉50库伦的电量所需时间约为50/(70/500)＝357秒；另一方面，电阻发热严重，容易损坏电阻，导致放电功能失效。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种用于氢燃料电池***的主动放电电路及方法，能够缩短放电时间，简化电路拓扑。
本发明实施例是这样实现的：
一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
本发明实施例电堆的余氢泄放通过DCDC***的可控的内部损耗消耗掉，而不是通过常用的电阻发热释放掉，由于DCDC***内部电感和开关本身具备良好的散热设计，可以支持长时间放电，避免了电阻放电发热严重的弊端；电堆的余氢泄放通过DCDC***的可控的内部损耗消耗掉，而内部损耗的大小取决于通过器件的电流大小，大电流下，内部损耗的能量远大于常用的电阻发热损耗，放电时间可以大大缩短；电堆的余氢泄放通过DCDC***的可控的内部损耗消耗掉，而内部损耗的大小取决于通过器件的电流大小，通过控制此电流大小，可以基本控制余氢泄放的速度和时间，使得放电的适用性大大拓宽。
附图说明
图1是本发明实施例中用于氢燃料电池***的主动放电电路拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明用于氢燃料电池余氢能量的释放，主要通过DC/DC变换器内部能量损耗，达到能量泄放的目的；本发明包括：
(1)DC/DC变换器拓扑主要由多路升压BOOST组成；
(2)DC/DC变换器拓扑多路BOOST中至少有一路存在上下两个可控开关管；
(3)DC/DC变换器接收电堆***控制器发送的主动放电指令，控制IGBT开关，使多路输入中的其中几路(至少一路)工作在升压模式，另外几路(至少一路)工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变，同时控制各路输入的电感电流，使得能量损耗在电感、IGBT开关(可控开关管)和其它部件上。由于DC/DC变换器本身针对电感和IGBT模块进行了针对性的散热设计，使得散热不会成为余氢释放的一个难题，另外，IGBT开关和电感可以承受很大的电流，而***损耗与电感电流和开关电流成正比，通过提高流经电感和开关管的电流，可以使得***损耗大幅提高，进而使得放电时间大大缩短。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
如图1所示，一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容Cin和输出端电容Cout，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管(IGBT开关)，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。维持稳定的电压是为了保证输入输出电压不会进入过压保护。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。一般是5倍左右。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。电流环和电压环是软件控制算法的一部分，最终通过PWM来执行。
一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。维持稳定的电压是为了保证输入输出电压不会进入过压保护。
其中，所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
其中，通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
其中，通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。电流环和电压环是软件控制算法的一部分，最终通过PWM来执行。
图1中，该拓扑有四路并联输入，每路包括一个电感和二个IGBT开关(包括反并二极管)，在主动放电功能中，选择其中两路(例如L1和L2支路)工作在升压模式(下管Q1_D和Q2_D以PWM方式工作，上管Q1_U和Q2_U断开)，另外两路(例如L3和L4支路)工作在降压模式(上管Q3_U和Q4_U以PWM方式工作，下管Q3_D和Q4_D断开)，并使Cout电压(Vout)维持在Cin电压(Vin)的5倍左右，但不超过Cout的最大极限电压。
示例拓扑只是本发明的一个特例，其适用范围不局限于四路并联输入，对多路输入(至少2路输入)的***均适用，本发明不要求多路输入的每路均包含上下两个开关管，只需至少一路具备两个可控开关管即可。
本发明还包括多个电流环控制，用于控制每个支路的电流大小；以及一个电压环控制，用于控制输出电容Cout上的电压。
氢燃料电池余氢的泄放电流取决于电感上电阻的损耗、IGBT开关损耗以及其他部件的损耗，其损耗大小与流经器件的电流大小成正比。
本发明的实施例中，本发明描述的主动放电电路及方法，可以将余氢能量在短时间内释放到接近零，且不依赖***除DC/DC外的其他部件。
本发明的实施例中，DC/DC变换器拓扑多路BOOST中至少有一路存在上下两个可控开关管，其中上管用于BUCK降压模式控制，使得电流可以从输出流向输入，进而保证输出电压稳定；本发明包含多个电流环控制，用于控制每个支路的电流大小；通过对支路电流大小的控制，使得电感和开关管的损耗基本可控，进而使得电堆的泄放电流可控；本发明包含一个电压环控制，用于控制输出电容Cout上的电压大小；通过对输出电压的控制，可以使得***工作在可控范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，其特征在于，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，其特征在于：所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
5.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电电路，其特征在于：还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
6.一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，氢燃料电池***具有电堆，电堆的负输出端接地，其特征在于，包括：DC/DC变换器、输入端电容和输出端电容，所述输入端电容跨接连接在电堆的两输出端上，DC/DC变换器的一端连接在电堆的正输出端，另一端通过输出端电容连接在电堆的负输出端上，DC/DC变换器包括并联连接的两路或两路以上的升压BOOST电路，升压BOOST电路中具有电感及连接反并二极管的可控开关管，至少有一路升压BOOST电路存在上、下两个可控开关管，其中，下可控开关管接地；放电时，至少有一路升压BOOST电路工作在升压模式，至少有一路升压BOOST电路工作在降压模式，并通过电流控制使得输出输入电压的升压比维持不变。
7.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，其特征在于：所述输出端电容电压维持在输入端电容电压的1-8倍，但不超过输出端电容的最大极限电压。
8.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的下可控开关管以PWM方式工作，上可控开关管断开，使该升压BOOST电路工作在升压模式。
9.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，其特征在于：通过控制升压BOOST电路中的上可控开关管以PWM方式工作，使该升压BOOST电路工作在降压模式。
10.根据权利要求6所述的一种用于氢燃料电池***的主动放电方法，其特征在于：还包括与升压BOOST电路的个数相应的，用于控制每路的电流大小的电流环，以及一个用于控制输出电容电压的电压环。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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