專利名稱：用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池及相關(guān)技術(shù)研究已成為各工業(yè)國家具有重大戰(zhàn)略意義的能源領(lǐng)域新技術(shù)的熱門課題。燃料電池電動汽車及相關(guān)技術(shù)已被各工業(yè)國家和國際型汽車工業(yè)集團(tuán)列為優(yōu)先發(fā)展的重大技術(shù)課題。國家863電動汽車重大專項中，已將燃料電池電動汽車及相關(guān)技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題。燃料電池變換裝置(以下簡稱DC/DC)是燃料電池電動汽車的關(guān)聯(lián)技術(shù)，已被列為電動汽車重大專項的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題。
DC/DC的基本功能是，將電壓變動范圍高達(dá)一倍的、較低的燃料電池輸出電源，提升到電壓幅度足夠高的穩(wěn)定電源，以滿足電動汽車驅(qū)動和控制系統(tǒng)對電源電壓幅值及穩(wěn)定度的要求。且必須具有與燃料電池輸出特性良好匹配的控制特性。
但目前尚未見到有符合本國家863電動汽車重大專項技術(shù)要求的燃料電池DC/DC的報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于電動汽車燃料電池組的電源變換裝置。它可將較低的、電壓變動范圍大的、功率大至160KW以上的燃料電池輸出動力電源，提升到電壓幅值足夠高和電壓穩(wěn)定度高的穩(wěn)定電力電源，以適應(yīng)電動汽車驅(qū)動和控制系統(tǒng)對電壓幅值及穩(wěn)定度的要求。
本發(fā)明的任務(wù)通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置，它包括一DC/DC模塊或多個DC/DC模塊和一個均流控制模塊，各DC/DC模塊輸出的電壓并聯(lián)后接均流控制模塊的電壓調(diào)整端，各DC/DC模塊輸出的電流檢測信號接均流控制模塊的電流信號采集端，均流控制模塊輸出的均流控制信號接各DC/DC模塊的均流控制信號輸入端。
DC/DC模塊由主回路、控制芯片、輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測、開關(guān)管驅(qū)動信號、輸出電流信號、均流控制信號各部分組成，其中主回路為升壓電路；輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測部分的輸入均接主回路，輸出均接控制芯片；開關(guān)管驅(qū)動信號的輸入接控制芯片，輸出接主回路；輸出電流信號部分的輸入接主回路；均流控制信號部分的輸出接輸出電壓檢測部分的輸入。
所述控制芯片的型號為MC3×262；所述主回路是由濾波電容、串接于電源輸出回路中的的電感和整流二極管、接在電感器后端與電源地間的開關(guān)管構(gòu)成的升壓電路；所述輸入電壓檢測部分由兩電阻和一電容構(gòu)成，兩電阻串聯(lián)后接在電源正端與地之間，其串聯(lián)點接控制芯片的3端，電容接在控制芯片的3端與地之間；所述零電流檢測部分由與主回路的電感耦合的電感、二極管、電阻和電容構(gòu)成，該電感和二極管、電阻、電容依次串聯(lián)后接電源地，電阻和電容的串聯(lián)點接控制芯片的8端，電感的另端和二極管的陰極接電源芯片的輸入端，電源芯片的輸出接控制芯片的4、2端；所述峰值電流檢測部分由接在主回路中電感后端的電流互感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成，電流互感器的輸出經(jīng)電位器調(diào)節(jié)后接控制芯片的5端；所述輸出電壓檢測部分由接主回路輸出的電阻和電位器組成，電位器的調(diào)節(jié)端接控制芯片的1端；所述開關(guān)管驅(qū)動信號由控制芯片的7端提供給開關(guān)管的控制端；所述輸出電流信號部分由接在主回路輸出的電流互感器構(gòu)成；所述均流控制信號部分由光耦器構(gòu)成，其輸出接控制芯片的1、4端。
所述均流控制模塊由數(shù)量與DC/DC模塊相等的控制芯片UC3902構(gòu)成，其中各控制芯片的電流信號采集端接對應(yīng)DC/DC模塊的輸出電流信號端；各控制芯片的均流控制信號接對應(yīng)DC/DC模塊的均流控制端；各控制芯片的電壓調(diào)整端并接后接各DC/DC模塊的電壓輸出端。
本發(fā)明采用了由新型boost控制電路構(gòu)成的若干DC/DC模塊，可以由一個DC/DC模塊構(gòu)成小功率的DC/DC裝置，或由若干個DC/DC模塊和一個均流模塊組成輸入電壓為50V-400V，額定輸出功率可達(dá)160KW以上的多種額定電壓和額定功率的燃料電池電動汽車用大功率DC/DC裝置。
由于本發(fā)明的主回路采用新型的boost變換電路，該電路與通常采用的全橋變換電路相比，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，而且具有變換效率高(導(dǎo)通損耗降低一倍以上)、電壓提升幅度的自由度大(同一裝置的電壓變換幅度可在2.4-7倍范圍內(nèi)任意設(shè)定)的突出優(yōu)勢。
由于本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用了MC3×262高性能新型PCF集成控制器，由該控制器組成具有零電流開關(guān)功能的電路，不僅大幅度降低了系統(tǒng)損耗，提高了效率，而且降低了裝置內(nèi)功率開關(guān)器件的技術(shù)要求，可采用價格較低的低速器件，組裝成更高頻率的高功率DC/DC，還大幅度降低了系統(tǒng)功率器件的開關(guān)噪聲和整機(jī)電磁搔擾度，對提高整車電磁搔擾度性能具有重要作用。
本發(fā)明裝置的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了采用其它同類裝置不具備的超寬輸入輸出電壓范圍。每一個模塊的輸入電壓可在50V-400V超寬范圍內(nèi)變化，輸出電壓可在120V-460V的超寬范圍內(nèi)任意設(shè)定。
本發(fā)明裝置采用了模塊化結(jié)構(gòu)和均流電路，可以由一個DC/DC模塊獨立成為一個小功率DC/DC裝置，還可由若干個DC/DC模塊組成大至160KW以上的多種額定功率的DC/DC裝置，以滿足不同功率等級的電動汽車對DC/DC裝置的功率要求。
圖1是由單個DC/DC模塊構(gòu)成的小功率DC/DC裝置電原理圖；圖2是本發(fā)明的DC/DC模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明的DC/DC模塊電原理圖；圖4是本發(fā)明的多個DC/DC模塊組成的大功率DC/DC裝置電原理圖；圖5是由多個DC/DC模塊組成的大功率DC/DC裝置電原理圖；圖6是本發(fā)明的均流控制模塊電原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明為一種用于電動汽車燃料電池組的電源變換裝置，可由一個DC/DC模塊構(gòu)成30KW以下的小功率電壓變換裝置，也可以由若干個DC/DC模塊并聯(lián)和一個均流控制模塊構(gòu)成大至160KW以上的大功率電源變換裝置。
參照圖1，圖示是由一個DC/DC模塊構(gòu)成的小功率電源變換裝置。燃料電池輸出的不穩(wěn)定電源，由201、202接線端輸入，經(jīng)DC/DC變換后，由203、204接線端輸出到電動汽車的電源輸入端。
參照圖2，DC/DC模塊由主回路、控制芯片、輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測、開關(guān)管驅(qū)動信號、輸出電流信號、均流控制信號各部分組成。其中主回路為升壓電路；輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測部分的輸入均接主回路，輸出均接控制芯片；開關(guān)管驅(qū)動信號的輸入接控制芯片，輸出接主回路；輸出電流信號部分的輸入接主回路；均流控制信號部分的輸出接輸出電壓檢測部分的輸入。
參照圖3。DC/DC模塊升壓變換主回路是由濾波電容器C201和C202、串接于電源輸出回路中的升壓電感L201、整流二極管D202、接在電感器L201后端與電源地間的開關(guān)管T201構(gòu)成的升壓電路。由該電路組成的DC/DC變換器的升壓比可大到7倍輸入電壓，并具有極低的傳導(dǎo)損耗。
U201(MC3×262)是DC/DC變換器的控制器。
輸入電壓檢測部分由電阻R201、R204和電容C203構(gòu)成，電阻R201和R204串聯(lián)后接在電源正端與地之間，其串聯(lián)點接控制芯片U201的3端，電容C203接在控制芯片U201的3端與地之間。
零電流檢測部分由與主回路的電感L201耦合的電感、二極管D201、電阻R203和電容C204構(gòu)成，該電感和二極管D201、電阻R203、電容C204依次串聯(lián)后接電源地，電阻和電容的串聯(lián)點接控制芯片U201的8端，電感的另端和二極管D201的陰極接電源芯片POWER的輸入端，電源芯片POWER的輸出接控制芯片U201的4、2端。
峰值電流檢測部分由接在主回路中電感后端的電流互感器LEM201與電位器W202串聯(lián)構(gòu)成，電流互感器的輸出經(jīng)電位器調(diào)節(jié)后接控制芯片U201的5端。
輸出電壓檢測部分由接主回路輸出的電阻R206和電位器W201組成，電位器的調(diào)節(jié)端接控制芯片U201的1端。
開關(guān)管驅(qū)動信號由控制芯片U201的7端提供給開關(guān)管T201的控制端。
輸出電流信號部分由接在主回路輸出的電流傳感器LEM202構(gòu)成。
均流控制信號部分由光耦器U202構(gòu)成，其輸出接控制芯片的1、4端。
由L201、D201、POWER、C205組成的電源電路，向以控制芯片U201為核心的控制電路提供控制電源。POWER的輸入電壓范圍非常寬，使用于50V-500V任何電壓段，POWER的輸出電壓隨電感L201中電流的大小變化。
該DC/DC模塊的工作原理是電源輸入電壓信號經(jīng)R201、R204、C203組成的耦合電路從控制芯片U201-3輸入；零電流信號經(jīng)L201、R203、C204組成的耦合電路從控制芯片U201-8輸入；輸出電壓信號經(jīng)R206、W201組成的電壓檢測電路從控制芯片U201-1輸入；峰值電流由電流互感器LEM201、W202組成的檢測電路從控制芯片U201-5輸入；LEM202為均流模塊提供本DC/DC模塊的輸出電流信號；U202接受均流模塊的均流控制信號。上述各輸入信號輸入到U201后，產(chǎn)生控制信號從U201-7輸出，控制開關(guān)管T201，實現(xiàn)電壓升壓變換控制。
設(shè)置零電流檢測電路，實現(xiàn)零電流開關(guān)，是本DC/DC變換器的顯著特點之一。零電流開關(guān)可大幅度降低開關(guān)損耗和電磁騷擾。
參照圖4，圖示是由若干個DC/DC模塊(DC/DC-1～DC/DC-5)并聯(lián)和一個均流控制模塊JMK2構(gòu)成大至160KW以上的大功率DC/DC變換器。各DC/DC模塊的電源輸入端(INPUT+/-)經(jīng)并聯(lián)后接到電源變換系統(tǒng)電源輸入端101和102，各輸出端(OUT+/-)經(jīng)并連后接到電源變換裝置的輸出端103和104。
每個DC/DC模塊具有獨立的電壓提升功率控制和特性匹配控制功能。均流控制模塊的作用是在多個模塊并聯(lián)時，使DC/DC變換裝置在輸出任意功率時，各DC/DC模塊都能實現(xiàn)功率平衡輸出，防止在較低輸出功率時，個別DC/DC模塊輸出比其他DC/DC模塊更大的功率。
DC/CD-1～DC/DC-5模塊的控制端經(jīng)208、207、205、206接線端分別連接到均流控制模塊JMK2的3×1、3×2、3×3、3×4，均流控制模塊JMK2的309、310接線端連接到DC/DC變換裝置輸出端204、203。
均流控制模塊JMK2從3×3輸入各并聯(lián)模塊的輸出電流信號，從309、310輸入DC/DC變換器輸出的母線電壓，經(jīng)模塊JMK2處理后，從3×1、3×2輸出控制信號，控制各DC/DC模塊的輸出功率，以實現(xiàn)各DC/DC模塊平均分擔(dān)DC/DC裝置輸出總功率。
圖5也是由多個DC/DC模塊組成的大功率DC/DC裝置的輸入端，但其各DC/DC模塊的電源輸入端(INPUT+/-)與相互獨立的各燃料電池輸出電源連接。
參照圖6，均流控制模塊由數(shù)量與DC/DC模塊相等的控制芯片UC3902(U301～U305)構(gòu)成，其中各控制芯片U30x的電流信號采集端3接對應(yīng)DC/DC模塊的輸出電流信號端；各控制芯片的電壓調(diào)整端6和7并接后接各DC/DC模塊的電壓輸出端；各控制芯片U30x的均流控制信號端1和2接對應(yīng)DC/DC模塊的均流控制端。
其工作原理是各DC/DC模塊的輸出電流信號從3×3輸入，經(jīng)電阻R3×1耦合到U30x-3，各DC/DC模塊的輸出總線電壓從309、310輸入到U30x-6和U30x-7，各控制芯片U30x發(fā)出的均流控制信號經(jīng)3×1、3×2輸出到各DC/DC模塊。
權(quán)利要求
1.一種用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置，其特征在于它包括DC/DC模塊，該模塊由主回路、控制芯片、輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測、開關(guān)管驅(qū)動信號、輸出電流信號、均流控制信號各部分組成，其中主回路為升壓電路；輸入電壓檢測、零電流檢測、峰值電流檢測、輸出電壓檢測部分的輸入均接主回路，輸出均接控制芯片；開關(guān)管驅(qū)動信號的輸入接控制芯片，輸出接主回路；輸出電流信號部分的輸入接主回路；均流控制信號部分的輸出接輸出電壓檢測部分的輸入。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置，其特征在于它包括多個DC/DC模塊和一個均流控制模塊，各DC/DC模塊輸出的電壓并聯(lián)后接均流控制模塊的電壓調(diào)整端，各DC/DC模塊輸出的電流檢測信號接均流控制模塊的電流信號采集端，均流控制模塊輸出的均流控制信號接各DC/DC模塊的均流控制信號輸入端。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置，其特征在于所述控制芯片的型號為MC3×262；所述主回路是由濾波電容、串接于電源輸出回路中的的電感和整流二極管、接在電感器后端與電源地間的開關(guān)管構(gòu)成的升壓電路；所述輸入電壓檢測部分由兩電阻和一電容構(gòu)成，兩電阻串聯(lián)后接在電源正端與地之間，其串聯(lián)點接控制芯片的3端，電容接在控制芯片的3端與地之間；所述零電流檢測部分由與主回路的電感耦合的電感、二極管、電阻和電容構(gòu)成，該電感和二極管、電阻、電容依次串聯(lián)后接電源地，電阻和電容的串聯(lián)點接控制芯片的8端，電感的另端和二極管的陰極接電源芯片的輸入端，電源芯片的輸出接控制芯片的4、2端；所述峰值電流檢測部分由接在主回路中電感后端的電流互感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成，電流互感器的輸出經(jīng)電位器調(diào)節(jié)后接控制芯片的5端；所述輸出電壓檢測部分由接主回路輸出的電阻和電位器組成，電位器的調(diào)節(jié)端接控制芯片的1端；所述開關(guān)管驅(qū)動信號由控制芯片的7端提供給開關(guān)管的控制端；所述輸出電流信號部分由接在主回路輸出的電流互感器構(gòu)成；所述均流控制信號部分由光耦器構(gòu)成，其輸出接控制芯片的1、4端。
4.如權(quán)利要求2所述的用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置，其特征在于所述均流控制模塊由數(shù)量與DC/DC模塊相等的控制芯片UC3902構(gòu)成，其中各控制芯片的電流信號采集端接對應(yīng)DC/DC模塊的輸出電流信號端；各控制芯片的均流控制信號接對應(yīng)DC/DC模塊的均流控制端；各控制芯片的電壓調(diào)整端并接后接各DC/DC模塊的電壓輸出端。
全文摘要
一種用于電動汽車燃料電池組的電壓變換裝置,包括一DC/DC模塊或多個DC/DC模塊和一個均流控制模塊,各DC/DC模塊輸出的電壓并聯(lián)后接均流控制模塊的電壓調(diào)整端,各DC/DC模塊輸出的電流檢測信號接均流控制模塊的電流信號采集端,均流控制模塊輸出的均流控制信號接各DC/DC模塊的均流控制信號輸入端。它可將較低的、電壓變動范圍大的、功率大至160KW以上的燃料電池輸出動力電源,提升到電壓幅值足夠高和電壓穩(wěn)定度高的穩(wěn)定電力電源,以適應(yīng)電動汽車驅(qū)動和控制系統(tǒng)對電壓幅值及穩(wěn)定度的要求。
文檔編號H02M3/28GK1352484SQ0113616
公開日2002年6月5日 申請日期2001年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
發(fā)明者錢良國, 邵化江, 田玉平, 顧向陽 申請人:北京機(jī)電研究所