本發(fā)明屬于新能源混合動力汽車技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種燃料電池混合動力汽車系統(tǒng)，在國際分類表上屬于b60w或b60k的分類領(lǐng)域。本案為201510586584x(一種燃料電池混合動力汽車系統(tǒng))的分案。

背景技術(shù)：

燃料電池用于車輛驅(qū)動，為能源問題和環(huán)境污染問題提供了一個有效的解決方案。純?nèi)剂想姵仉姵仄囍挥腥剂想姵匾粋€動力源，汽車的所有功率負載都由燃料電池提供，其缺點在于(1)功率大，成本高：(2)對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性和可靠性都提出了很高的要求；(3)不能進行制動能量回收。燃料電池的特性決定了其最好運行在恒定功率區(qū)以延長其使用壽命和提高效率，然而，驅(qū)動電動機的功率是變化的，因此為了平衡這兩部分功率和吸收制動回饋能量，因此目前燃料電池汽車采用的是混合驅(qū)動形式，即在燃料電池的基礎(chǔ)上，增加一組電池或超級電容作為另一個動力源，包括“燃料電池+電池”(fc+b)、“燃料電池+超級電容”(fc+c)和“fc+b+c”的組合。fc+b系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，fc+b的組合降低了對燃料電池的功率和動態(tài)性能的要求，同時降低了成本，但增加了驅(qū)動系統(tǒng)的重量、體積和復(fù)雜性。燃料電池混合動力汽車的基本組成包括燃料電池堆、蓄電池組、功率變換器和牽引電動機。燃料電池作為主動力源，蓄電池作為輔助動力源，車輛需要的功率主要由燃料電池提供，蓄電池只是在啟動、爬坡或加速時提供功率，制動時回收制動能量。

fc+b系統(tǒng)存在四種運行模式，分別如圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示。模式a：正常行駛時，功率流從燃料電池流向電動機，如果蓄電池荷電量較低，燃料電池也向蓄電池提供功率；模式b：啟動、爬坡或加速時，功率從燃料電池和蓄電池流向電動機，蓄電池能夠提高響應(yīng)時間，改善動態(tài)性能，同時保證燃料電池工作在安全高效的狀態(tài)；模式c：低速行駛時，此時如果由燃料電池向電動機供電，效率很低，因此由蓄電池向電動機供電，如果蓄電池荷電量較低，燃料電池向蓄電池提供功率；模式d：下坡或制動狀態(tài)，電機輸出電功率給蓄電池，燃料電池只在蓄電池荷電量較低時，向蓄電池提供功率。

常規(guī)的電壓源逆變器存在以下缺點：屬于降壓型變換電路，對于直流電壓較低，需要較高的交流輸出電壓的dc/ac功率變換場合，需要一個額外的dc/dc升壓式變換器；每個橋臂的上、下器件不能同時導(dǎo)通，由電磁干擾造成的誤觸發(fā)導(dǎo)致的直通問題是變換器可靠性的主要殺手。由于燃料電池輸出電壓比電動汽車動力總線電壓要低，且特性比較軟，即隨著輸出電流的增加，電壓下降幅度較大，同時功率隨輸出電流的變化也較大。因此如果直接采用傳統(tǒng)的電壓源逆變器，直流電壓一般由燃料電池輸出電壓決定，所以驅(qū)動電動機的恒轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍決定于電池電壓，進一步升速，則進入恒功率范圍，車輛的加速能力將下降；另一方面，燃料電池輸出電壓隨電流增加而降低，電動機的高速操控性能將進一步降低。因此，通常在前級增加一級升壓式變換器，對直流電壓進行升壓調(diào)節(jié)，有效地提升車輛的操控性能；同時使用一級雙向dc-dc變換器以控制蓄電池的荷電量，如圖3所示。此類方法增加了系統(tǒng)的成本和控制復(fù)雜性，降低了變換效率，而且并沒有解決上述常規(guī)電壓源逆變器中存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種能夠降低系統(tǒng)成本和簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命、基于獨級升壓逆變器的燃料電池混合動力汽車的控制系統(tǒng)。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的燃料電池混合動力汽車系統(tǒng)，包括燃料電池組、獨級升壓逆變器、蓄電池組和電動機，燃料電池組作為獨級升壓逆變器的輸入電源，獨級升壓逆變器與蓄電池組連接，最終連接到電動機上，其中在獨級升壓逆變器中，包括一只原副邊繞組緊耦合的耦合電感，勵磁電感并聯(lián)在耦合電感原邊繞組兩端，耦合電感原邊繞組的同名端與漏感和勵磁電感的一端連接，漏感的另一端分別與阻斷二極管的陰極、第二二極管的陰極、第三二極管的陽極和第一電容的一端連接，勵磁電感的另一端與第四二極管的陽極相連，阻斷二極管的陽極與電源正極相連，第三二極管的陰極連接到耦合電感副邊繞組的一端，副邊繞組的另一端分別與第四二極管的陰極和逆變橋的直流母線正端連接，第二電容與蓄電池組并聯(lián)，第二電容的一端與直流母線正端相連，第二電容的另一端分別與電源負極和第二二極管的陽極連接，第一電容的另一端分別與逆變橋的直流母線負端和電感的一端相連，電感的另一端與電源負極相連，逆變橋輸出連接三相電動機。

優(yōu)選地，第一電容、第二電容均為有極性電容。

有益效果：本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)傳統(tǒng)電壓源型逆變器只有一個控制變量，通過控制調(diào)制比(m)調(diào)節(jié)輸出交流電壓；獨級升壓逆變器有兩個控制變量，通過調(diào)節(jié)直通占空比(d0)和調(diào)制比(m)，可以控制輸出到電機的交流電壓、調(diào)節(jié)蓄電池的荷電量和控制燃料電池的輸出功率。需要說明的是，“直通零矢量”狀態(tài)是指三相逆變橋上下開關(guān)管直通，由于在傳統(tǒng)零矢量中注入，且直通零矢量與傳統(tǒng)零矢量對負載的作用效果等效，因此對逆變器交流輸出電壓沒有任何影響，調(diào)節(jié)直通零矢量作用時間，可實現(xiàn)逆變器輸入側(cè)直流母線電壓(vb)的可控提升，從而逆變輸出期望的交流電壓。(2)通過調(diào)節(jié)耦合電感匝比(n＝n2/n1)和直通零矢量的占空比(d0)，該獨級升壓逆變器可以提供較大的升壓能力，提高并穩(wěn)定母線電壓，從而獲得提升的逆變電壓，相對于傳統(tǒng)的增加dc-dc變換器的方案，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。(3)該獨級升壓逆變器使用“直通零矢量”狀態(tài)，避免了由于電磁干擾造成的誤觸發(fā)導(dǎo)致器件損壞的問題，提高了系統(tǒng)可靠性。

附圖說明

圖1顯示出“燃料電池+蓄電池”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2顯示出“燃料電池+蓄電池”系統(tǒng)的運行模式；

圖3顯示出帶雙向變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4顯示出本發(fā)明采用獨級升壓逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

如附圖4所示，本發(fā)明用于燃料電池混合動力汽車的獨級升壓逆變器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括燃料電池組、獨級升壓逆變器、蓄電池組和電動機。燃料電池組作為獨級升壓逆變器的輸入電源vin，獨級升壓逆變器與蓄電池組連接(bat)，最終連接到電動機上。一只原副邊繞組n1、n2緊耦合且n1＜n2(匝數(shù)比n1/n2＜1)的耦合電感，其等效模型為理想變壓器和勵磁電感l(wèi)m的并聯(lián)，再與漏感l(wèi)k串聯(lián)，漏感l(wèi)k的另一端與阻斷二極管d1的陰極連接，同時連接第二二極管d2的陰極、第三二極管d3的陽極和第一電容c1的一端，勵磁電感l(wèi)m的另一端與第四二極管d4的陽極相連，阻斷二極管d1的陽極與電源vin正極相連，第三二極管d3的陰極連接到耦合電感副邊繞組n2的一端，副邊繞組n2的另一端與第四二極管d4的陰極相連，并與逆變橋b的直流母線正端連接，第二電容c2與蓄電池組bat并聯(lián)，其一端與直流母線正端相連，另一端與電源vin負極相連，同時連接第二二極管d2的陽極，第一電容c1的另一端與逆變橋b的直流母線負端連接，同時與電感l(wèi)的一端相連，電感l(wèi)的另一端與電源vin負極相連，逆變橋輸出連接三相電動機。

本發(fā)明中獨級升壓逆變器由一只原副邊繞組n1、n2緊耦合且n1＜n2的耦合電感、二極管d3和d4、電容c1合c2、電感l(wèi)、逆變橋b組成，其中耦合電感等效模型為理想變壓器和勵磁電感l(wèi)m的并聯(lián)，再與漏感l(wèi)k串聯(lián)。該電路對逆變器直流母線電壓升壓控制方式利用了三相逆變橋上下開關(guān)管的直通狀態(tài)，調(diào)節(jié)其作用時間，實現(xiàn)了逆變器輸入側(cè)直流母線電壓的可控提升。在直通零矢量狀態(tài)時，逆變橋直通，直流電壓源vin向耦合電感的勵磁電感l(wèi)m充電；在非直通零矢量狀態(tài)時，耦合電感原邊繞組n1中能量感應(yīng)到副邊繞組n2，與輸入直流電壓源vin串聯(lián)，向逆變橋b直流母線供電，使得逆變器直流母線電壓得到提升，從而獲得提升的逆變電壓；在橋臂開路時，由電容c1和c2、電感l(wèi)提供閉合回路，避免直流母線上出現(xiàn)電壓尖峰。

本發(fā)明提出的在基于獨級升壓逆變器的燃料電池混合動力汽車的控制系統(tǒng)中，有三個功率流：燃料電池組-＞電動機，燃料電池組-＞蓄電池，蓄電池-＞電動機，一旦蓄電池的荷電量過低，燃料電池組便向蓄電池充電。這三個功率流只要控制了其中兩個，第三個便自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)平衡。理想情況下，忽略漏感l(wèi)k的影響，獨級升壓逆變器中第二電容c2電壓與輸入電壓vin的關(guān)系為

以上公式也表示了蓄電池組(bat)兩端電壓與燃料電池組輸入電壓(vin)的關(guān)系。第二電容(c2)電壓與母線電壓(vb)的關(guān)系為

vc2＝(1-d0)vb(2)

輸入電壓(vin)與母線電壓(vb)的關(guān)系為

當系統(tǒng)硬件設(shè)計完成，即耦合電感的匝比(n)確定后，以上關(guān)系只與直通占空比(d0)有關(guān)。輸出交流相電壓峰值(vphase)與母線電壓(vb)的關(guān)系為

因此，輸出交流相電壓峰值(vphase)與燃料電池組輸入電壓(vin)的關(guān)系為

輸出交流相電壓峰值(vphase)與蓄電池組(bat)兩端電壓的關(guān)系為

輸出功率(po)可以表達為

其中，irms為負載電流有效值。得到流向蓄電池組的功率為

pbat＝viniin-po(8)

以上關(guān)系說明可以同時控制蓄電池的荷電量和驅(qū)動電動機功率。

本發(fā)明提出的基于獨級升壓逆變器的燃料電池混合動力汽車系統(tǒng)適用于圖2的四種運行模式，模式a：正常行駛時，功率流從燃料電池流向電動機，如果蓄電池荷電量較低，燃料電池也向蓄電池提供功率；模式b：啟動、爬坡或加速時，功率從燃料電池和蓄電池流向電動機；模式c：低速行駛時，蓄電池向電動機供電，如果蓄電池荷電量較低，燃料電池向蓄電池提供功率；模式d：下坡或制動狀態(tài)，電機輸出電功率給蓄電池，燃料電池只在蓄電池荷電量較低時，向蓄電池提供功率。通過調(diào)節(jié)直通占空比(d0)和調(diào)制比(m)這兩個控制變量，可以控制輸出到電機的交流電壓、調(diào)節(jié)蓄電池的荷電量和控制燃料電池的輸出功率。

對于(a)、(b)、(c)、(d)四種模式，模式a和模式b中獨級升壓逆變器的運行方式類似：燃料電池輸出功率由直通占空比d0控制，交流輸出功率由輸出電壓電流決定，區(qū)別是在模式b中，交流輸出功率大于輸入的燃料電池輸出功率，蓄電池組處于放電狀態(tài)；而在模式a中，根據(jù)蓄電池的荷電量，對蓄電池進行充放電，此時燃料電池輸出功率高于或低于交流輸出功率。在模式c中，燃料電池組由第二二極管d2旁路，通過調(diào)節(jié)調(diào)制比(m)控制交流輸出功率。在模式d中，交流輸出功率回饋給蓄電池充電。在以上模式中，如果蓄電池的荷電量過低，燃料電池組將輸出功率給蓄電池充電。

根據(jù)混合動力汽車不同的運行狀況，由上位機通訊模塊給出功率指令，系統(tǒng)控制模塊根據(jù)燃料電池、蓄電池和交流側(cè)輸出功率上一時刻的匹配程度，計算得到燃料電池需要提供的功率，發(fā)出燃料電池功率控制信號和直通占空比d0分別給燃料電池控制模塊和電機驅(qū)動模塊，分別控制需要的輸入輸出功率；蓄電池荷電量檢測模塊檢測蓄電池的荷電量等信息，由系統(tǒng)控制模塊計算決定是否給蓄電池充電，通過發(fā)出燃料電池功率控制信號和直通占空比d0，控制蓄電池的充放電。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何細微修改、等同替換和改進，均應(yīng)包含在本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。