技术领域
[0001] 本
发明涉及直流变换器，属于新
能源汽车动
力系统设计与应用领域。
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。
[0003] 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、动态响应慢的缺点，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。
[0004] 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
[0005] 本发明是为了解决现有电池汽车DC/DC变换器升压拓扑升压比低、输入电压宽范围时输出电压存在扰动的问题，提出了一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器。
[0006] 本发明所述的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器，该变换器包括DC/DC变换器主
电路1和DC/DC变换器控制电路2；
[0007] DC/DC变换器主电路1包括上桥电路、下桥电路和燃料电池电压源E；所述上桥电路包括：
二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电感L1、电感L2、电感L3、
开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和电容C1；
[0008] 下桥电路包括：二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电感L4、电感L5、电感L6、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6和电容C2；
[0009] 二极管D1的正极同时连接二极管D4的正极、二极管D6的正极、电容C2的一端、开关管Q4的漏极、开关管Q5的漏极、开关管Q6的漏极和燃料电池电压源E的正极；
[0010] 二极管D1的负极同时连接电感L1的一端和二极管D3负极；电感L1的另一端同时连接二极管D2的正极和开关管Q3的漏极，二极管D2的负极同时连接电容C1的一端和负载
电阻R的一端；
[0011] 二极管D4的负极同时连接电感L2的一端和二极管D5负极；电感L2的另一端同时连接二极管D3正极和开关管Q2的漏极；
[0012] 二极管D6的负极连接电感L3的一端，电感L3的另一端同时连接二极管D5正极和开关管Q1的漏极；
[0013] 二极管D11的负极同时连接二极管D9的负极、二极管D7的负极、电容C1的另一端、开关管Q1的源极、开关管Q2的源极、开关管Q3的源极和燃料电池电压源E的负极；
[0014] 二极管D11的正极同时连接电感L6的一端和二极管D10正极；电感L6的另一端同时连接二极管D12的负极和开关管Q6的源极，二极管D12的正极同时连接电容C2的另一端和负载电阻R的另一端；
[0015] 二极管D9的正极同时连接电感L5的一端和二极管D8正极；电感L5的另一端同时连接二极管D10负极和开关管Q5的源极；
[0016] 二极管D7的正极连接电感L4的一端，电感L4的另一端同时连接二极管D8负极和开关管Q4的源极；
[0017] DC/DC变换器控制电路2的开关管驱动
信号输出端同时连接开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极、开关管Q3的栅极、开关管Q4的栅极、开关管Q5的栅极和开关管Q6的栅极；
[0018] 电容C1的电压信号、电容C2的电压信号和DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号同时输入至DC/DC变换器控制电路2；
[0019] 电感L1的
电流信号和电感L2的电流信号同时输入至DC/DC变换器控制电路2；DC/DC变换器控制电路2的目标电压信号输入端输入目标电压信号。
[0020] 进一步地，DC/DC变换器控制电路2包括保护电路201、DSP系统202、电压
传感器203和电流传感器204；
[0021] 电压传感器203采集DC/DC变换器主电路1的电容C1的电压信号、电容C2的电压信号、DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号；并将采集的电容C1的电压信号、电容C2的电压信号、DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号同时输出至DSP系统202；
[0022] 电流传感器204采集电感L1的电流信号和电感L2的电流信号，并将采集的电感L1 的电流信号和电感L2的电流信号同时输出至DSP系统202；
[0023] DSP系统202的目标电压信号输入端输入目标电压；DSP系统202的开关管占空比
控制信号输出端连接保护电路201的开关管占空比控制信号输入端，保护电路201的开关管占空比控制信号输出端为DC/DC变换器控制电路2的开关管占空比控制信号输出端。
[0024] 进一步地，电容C1和电容C2的电容值相同。
[0025] 进一步地，电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5和电感L6的的电感值相同。
[0026] 进一步地，DSP系统202包括PI
控制器、两个减法器2024和一个加法器2025；PI控制器包括电压环控制器2021和电流环控制器2022；
[0027] 目标参考电压Uref和电压传感器203采集的输出电压U0经第一个减法器2024相减后，获得电压误差信号e1；
[0028] 电压误差信号e1输入至电压环控制器2021进行PI
算法处理后，获得期望电感电流I′L1；
[0029] 期望电感电流I′L1经第二个减法器2024与电流传感器204采集的电感电流信号IL1相减后，获得电流误差信号e2；
[0030] 前馈控制器2023接收电压传感器203采集的燃料电池电压源E的电压Uin后，获得前馈
输出信号k/Uin；
[0031] 电流误差信号e2输入至电流环控制器2022经PI算法处理后输出信号与前馈输出信号k/Uin经加法器2025求和后获得开关管占空比d的控制信号，即开关管的驱动信号。
[0032] 本发明提出了一种非隔离DC/DC变换器，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+5d倍，实现了大幅度升压的目的。
附图说明
[0033] 图1是本发明所述高增益燃料电池汽车DC/DC变换器的电路原理图；
[0034] 图2是具体实施方式五所述的DSP系统的电气原理
框图；
[0035] 图3是高增益燃料电池汽车DC/DC变换器的电压调整原理框图；
[0036] 图4是DC/DC变换器主电路中开关管处于开启状态时的等效电路图，图中带有箭头方向的虚线为电流方向；
[0037] 图5是DC/DC变换器主电路中开关管处于关闭时的等效电路图，图中带有箭头方向的虚线为电流方向；；
[0038] 图6是DC/DC变换器主电路中开关管Q1和开关管Q3的驱动信号的
波形图；
[0039] 图7是DC/DC变换器主电路中开关管Q1和开关管Q3的电压波形图；
[0040] 图8是DC/DC变换器主电路的上桥电路中的电感L1的电流波形图；
[0041] 图9是DC/DC变换器主电路的上桥电路中的电容C1的电压波形图；
[0042] 图10(a)是为输出电压波形图；
[0043] 图10(b)是电容C1的电压波形图；
[0044] 图10(c)是电容C2的电压波形图。
具体实施方式
[0045] 具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器，该变换器包括DC/DC变换器主电路1和DC/DC变换器控制电路2；
[0046] DC/DC变换器主电路1包括上桥电路、下桥电路和燃料电池电压源E；所述上桥电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电感L1、电感L2、电感L3、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和电容C1；
[0047] 下桥电路包括：二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电感L4、电感L5、电感L6、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6和电容C2；
[0048] 二极管D1的正极同时连接二极管D4的正极、二极管D6的正极、电容C2的一端、开关管Q4的漏极、开关管Q5的漏极、开关管Q6的漏极和燃料电池电压源E的正极；
[0049] 二极管D1的负极同时连接电感L1的一端和二极管D3负极；电感L1的另一端同时连接二极管D2的正极和开关管Q3的漏极，二极管D2的负极同时连接电容C1的一端和负载电阻R的一端；
[0050] 二极管D4的负极同时连接电感L2的一端和二极管D5负极；电感L2的另一端同时连接二极管D3正极和开关管Q2的漏极；
[0051] 二极管D6的负极连接电感L3的一端，电感L3的另一端同时连接二极管D5正极和开关管Q1的漏极；
[0052] 二极管D11的负极同时连接二极管D9的负极、二极管D7的负极、电容C1的另一端、开关管Q1的源极、开关管Q2的源极、开关管Q3的源极和燃料电池电压源E的负极；
[0053] 二极管D11的正极同时连接电感L6的一端和二极管D10正极；电感L6的另一端同时连接二极管D12的负极和开关管Q6的源极，二极管D12的正极同时连接电容C2的另一端和负载电阻R的另一端；
[0054] 二极管D9的正极同时连接电感L5的一端和二极管D8正极；电感L5的另一端同时连接二极管D10负极和开关管Q5的源极；
[0055] 二极管D7的正极连接电感L4的一端，电感L4的另一端同时连接二极管D8负极和开关管Q4的源极；
[0056] DC/DC变换器控制电路2的开关管驱动信号输出端同时连接开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极、开关管Q3的栅极、开关管Q4的栅极、开关管Q5的栅极和开关管Q6的栅极；
[0057] 电容C1的电压信号、电容C2的电压信号、DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号同时输入至DC/DC变换器控制电路2；
[0058] 电感L1的电流信号和电感L2的电流信号同时输入至DC/DC变换器控制电路2；DC/DC变换器控制电路2的目标电压信号输入端输入目标电压信号。
[0059] 具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器作进一步说明，DC/DC变换器控制电路2包括保护电路201、DSP系统202、电压传感器203和电流传感器204；
[0060] 电压传感器203采集DC/DC变换器主电路1的电容C1的电压信号、电容C2的电压信号、DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号；并将采集的电容C1的电压信号、电容C2的电压信号、DC/DC变换器主电路1的输出电压信号和燃料电池电压源E的输出电压信号同时输出至DSP系统202；
[0061] 电流传感器204采集电感L1的电流信号和电感L2的电流信号，并将采集的电感L1的电流信号和电感L2的电流信号同时输出至DSP系统202；
[0062] DSP系统202的目标电压信号输入端输入目标电压；DSP系统202的开关管驱动信号输出端连接保护电路201的开关管驱动信号输入端，保护电路201的开关管驱动信号输出端为DC/DC变换器控制电路2的开关管驱动信号输出端。
[0063] 具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器作进一步说明，电容C1和电容C2的电容值相同。
[0064] 具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器作进一步说明，电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5和电感L6的的电感值相同。
[0065] 具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种高增益燃料电池汽车DC/DC变换器的进一步限定，DSP系统202包括PI控制器、两个减法器2024和一个加法器2025；PI控制器包括电压环控制器2021和电流环控制器2022；
[0066] 目标参考电压Uref和电压传感器203采集的输出电压U0经第一个减法器2024相减后，获得电压误差信号e1；
[0067] 电压误差信号e1输入至电压环控制器2021进行PI算法处理后，获得期望电感电流I′L1；
[0068] 期望电感电流I′L1经第二个减法器2024与电流传感器204采集的电感电流信号IL1相减后，获得电流误差信号e2；
[0069] 前馈控制器2023接收电压传感器203采集的燃料电池电压源E的电压Uin，通过前馈控制器2023的前馈系数对电压Uin进行调节，获得前馈输出信号k/Uin；
[0070] 电流误差信号e2输入至电流环控制器2022经PI算法处理后输出信号与前馈输出信号k/Uin经加法器2025求和后获得开关管占空比d的控制信号，即开关管的驱动信号。
[0071] 如图3所示本
实施例的控制原理框图，其中，Uref为所设定的参考电压；CPI(s)和CP2(s)为所设计的电压环和电流环的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，作用二是变换器刚启动时占空比d不为零，有软启动的作用，对拓扑进行保护；
[0072] a).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U0，电流传感器采集变换单元的电感电流IL1，并进行
数模转换；
[0073] b).将输出的电压值U0与参考电压Uref比较得到电压误差信号e1，并将电压误差信号e1送入电压环PI控制器中进行处理得到期望电感电流I′L1；
[0074] c).将步骤b)得到的期望电感电流I′L1，与电感电流IL1比较得到误差信号送入电流环PI控制器中得到占空比d，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；
[0075] 在ton时间段，第一开关管、第二开关管和第三开关管打开，第四开关管、第五开关管和第六开关管关断；燃料电池通过第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3对第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3进行充电，第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6和燃料电池
串联向第二电容C2充电，第一电容C1和第二电容C2向负载R供电，如图4所示，对应的
状态方程为：
[0076]
[0077] 其中，Uin为变换器的输入电压，t为时间，R代表负载，L是电感感值，C是电容容值，UC1是电容C1的输出电压，电感电流信号IL1，电感L1和电感L2的电流相等。
[0078] 在toff时间段，第四开关管、第五开关管和第六开关管打开，第一开关管、第二开关管和第三开关管关断；燃料电池通过第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6对第四电感L4、第五电感L5和第六电感L6进行充电，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和燃料电池串联向第一电容C1充电，第一电容C1和第二电容C2向负载R供电，电感第一电感L1的电流和第二电感L2的电流相等，因此使用时只需要使用电感L1的电流IL1；如图5所示，对应的状态方程为：
[0079]
[0080] d).前馈控制器接收电压传感器采集的燃料电池电压源E的电压Uin，获得前馈输出信号k/Uin与电流环PI控制器输出的占空比d求和后送入第一传递函数 中得到调整后的IL1；所述第一传递函数为DC/DC变换器主电路的第一特性函数；
[0081] e).将步骤d)中得到的IL1作为第二传递函数的输入量得到调整后的电容C1输出电压UC1，在经过U0＝2UC1-Uin得到调整后的输出电压U0。第二传递函数的为DC/DC变换器主电路的第二特性函数；
[0082] 由式(1)和式(2)建立变换器在一个完整的PWM周期内的状态空间平均方程为：
[0083] 在一个完整的PWM周期内，变换器的状态空间平均方程为：
[0084]
[0085] 其中， 为一个PWM周期内电感L1的电流IL1的平均值， 为一个PWM周期内电容C1的电压UC1的平均值， 为一个PWM周期内燃料电池输入电压Uin的平均值，为一个PWM周期内PWM波占空比d的平均值。
[0086] 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，即将和 带入方程(3)，其中， 为电感电流信号IL1的小信号模型， 为电容C1的输出电压UC1的小信号模型， 为燃料电池输入电压Uin的小信号模型，为开关管占空比d的小信号模型；
[0087] 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：
[0088]
[0089] 从中可得所提拓扑中Uin到 的升压比为1+2d/1-d，而 所以可以得到此拓扑的最终升压比为1+5d/1-d。所得小信号模型为：
[0090]
[0091] 对式(5)进行拉普拉斯变换并化简得：
[0092] 控制信号d到电流IL1的传递函数为：
[0093]
[0094] IL1到输出电压UC1的传递函数为：
[0095]
[0096] 式中，s代表复变量，R为负载阻值，L是电感感值，C是电容C1的电容值，UC1是电容C1的输出电压，UC1转换成输出电压U0的具体公式为：U0＝2UC1-Uin，其中，2UC1＝UC1+UC2，UC2为电容C2的电压。根据式(6)和式(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。
[0097] 如图6-图9所示，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。由图10(a)、10(b)和10(c)可见，输出电压波动为电容C1和C2电压波动的一半。
