一种应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术应用领域，具体地说是一种实用性强、应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器。


背景技术：

2.氢燃料电池是绝对清洁和零污染排放的，且车辆添加氢燃料简单快速。氢燃料电池系统质量轻，结构简单，化学反应效率高，其动力强劲，续航里程远，是未来公交运输，重载物流运输的理想动力形式。
3.随着仓储物流对于仓库内排放的要求日益严格，氢燃料电池叉车在仓储物流行业中成为必不可少的一部分。现有技术中，氢燃料电池叉车动力系统由氢燃料电池、直流功率变换器、车载动力锂电池组、电驱逆变器、电机五大部分组成，后三者为传统纯电动汽车主要动力组成部分，简称“三电系统”。其中直流功率变换器是连接氢燃料电池与车载动力电池的必不可少的重要组成部分。直流功率变换器将燃料电池输出电压与车载动力锂电池电压合理进行匹配，并为“三电”系统持续提供汽车续航所需能量。氢燃料电池呈高阻抗特性，随着其负载增大，电堆电压减小。
4.一般应用于叉车的氢燃料电池输出电压范围在40v～100v之间。应用于叉车的动力锂电池电压往往采用48v或者72v系统。匹配40v～100v燃料电池与72v锂电，直流功率变换器既需要升压，也需要降压。传统技术解决方案采用一个升压直流功率变换器以及一个降压直流功率变换器来连接氢燃料电池与锂电。以72v锂电系统为例，当氢燃料电池输出电流小，电压大于72v时，降压直流功率变换器开启。当氢燃料电池输出电流大，电压小于72v时，升压直流功率变换器开启。双直流功率变换器方案可满足宽范围氢燃料电池输出电压与车载动力锂电池电压之间的匹配，但是增大了整个发动机系统的体积和成本。


技术实现要素：

5.本实用新型的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强、可减小发动机体积、应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器。
6.一种应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器，直流功率变换器安装在氢燃料电池叉车动力系统中，该动力系统包括氢燃料电池、车载动力电池组、电驱逆变器、电机，直流功率变换器安装在氢燃料电池与动力锂电池之间，该直流功率变换器配置有四开关，当氢燃料电池电压大于动力锂电池电压时，直流功率变换器在四开关控制下开启降压过程，当氢燃料电池电压小于动力锂电池电压时，直流功率变换器在四开关控制下开启升压过程。
7.所述直流功率变换器配置的四开关为四个功率开关管q1、q2、q3、q4，其中：
8.功率开关管q1、q2安装在氢燃料电池端，功率开关管q1与氢燃料电池的正极相连接，功率开关管q2与氢燃料电池的负极相连接；
9.功率开关管q3、q4安装在动力锂电池端，功率开关管q3与动力锂电池的正极相连
接，功率开关管q4与动力锂电池的负极相连接；
10.功率开关管q1、q2相互连接且其连接处接入滤波电感l的正极，功率开关管q3、q4相互连接且其连接处接入滤波电感l的负极。
11.所述功率开关管q1、q2、q3、q4均为npn型三极管，其中：
12.功率开关管q1的集电极连接氢燃料电池的正极、发射极连接功率开关管q2的集电极和滤波电感l的正极；功率开关管q2的集电极连接功率开关管q1的发射极和滤波电感l的正极、发射极连接氢燃料电池的负极和功率开关管q4的发射极；
13.功率开关管q3的集电极连接动力锂电池的正极、发射极连接功率开关管q4的集电极和滤波电感l的负极；功率开关管q4的集电极连接功率开关管q3的发射极和滤波电感l的负极、发射极连接动力锂电池的负极和功率开关管q2的发射极。
14.当氢燃料电池电压大于动力锂电池电压时，功率开关管q4处于关断状态，功率开关管q1、q2、q3处于开通状态，直流功率变换器处于降压状态。
15.当氢燃料电池电压小于动力锂电池电压时，功率开关管q2处于关断状态，功率开关管q1、q3、q4处于开通状态，直流功率变换器处于升压状态。
16.所述氢燃料电池为宽范围燃料电池，即电压为40v
‑
100v；动力锂电池为低压动力锂电池，即电压为48v或72v。
17.本实用新型的一种应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器，具有以下优点：
18.本实用新型提供的dcdc变换器及基于该变换器适用于电压范围宽的氢燃料电池叉车动力系统，此方案通过一组升降压直流功率变换器及其电力电子的拓扑结构变换和开关逻辑，既可以实现燃料电池到动力锂电池的降压功能，也能实现燃料电池到动力锂电池的升压功能。无须通过一组升压直流功率变换器及一组降压直流功率变换器来实现。此方案大大降低了氢燃料电池叉车动力系统的成本和体积，实用性强，适用范围广泛，易于推广。
附图说明
19.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.附图1为现有技术中氢燃料电池汽车动力系统示意图。
21.附图2是传统升压直流功率变换器与降压直流功率变换器拓扑结构图。
22.附图3是本实用新型的直流功率变换器示意图。
23.附图4是氢燃料电池电压大于动力锂电池电压时的直流功率变换器工作示意图。
24.附图5是氢燃料电池电压小于动力锂电池电压时的直流功率变换器工作示意图。
25.附图6是氢燃料电池电压等于动力锂电池电压时的直流功率变换器工作示意图。
26.附图中的标记分别表示：
27.1、氢燃料电池，2、动力锂电池，3、滤波电感，4、功率开关管q1，5、功率开关管q2,6、功率开关管q3，7、功率开关管q4。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.为了降低氢燃料地池叉车动力系统的体积与成本，本实用新型介绍了一种四开关升降压直流功率变换器，可专门用于匹配宽范围燃料电池（40v
‑
100v）与低压动力锂电池系统（48v或72v）。四开关升降压直流功率变换器在燃料电池叉车系统中的工作原理如下所述：
30.如图3所示，本实用新型提供一种应用于氢燃料电池叉车动力系统中的直流功率变换器，其中附图中的标记分别表示：1、氢燃料电池，2、动力锂电池，3、滤波电感，4、功率开关管q1，5、功率开关管q2,6、功率开关管q3，7、功率开关管q4。
31.本实用新型的直流功率变换器安装在氢燃料电池叉车动力系统中，该动力系统包括氢燃料电池、车载动力电池组、电驱逆变器、电机，直流功率变换器安装在氢燃料电池与动力锂电池之间，该直流功率变换器配置有四开关，当氢燃料电池电压大于动力锂电池电压时，直流功率变换器在四开关控制下开启降压过程，当氢燃料电池电压小于动力锂电池电压时，直流功率变换器在四开关控制下开启升压过程。
32.由于本实用新型通过一个直流功率变换器配置“四开关升降压”的模式，通过电力电子的拓扑结构及控制逻辑，只使用一台直流功率变换器，既可以实现升压功能，也可以实现降压功能。其体积与成本仅次于单独一台升压直流功率变换器或者降压直流功率变换器，无须再使用两台直流功率变换器分别解决升降压功能，此发明非常适合应用于低锂电电压的氢燃料电池叉车动力系统。
33.所述直流功率变换器配置的四开关为四个功率开关管q1、q2、q3、q4，其中：
34.功率开关管q1、q2安装在氢燃料电池端，功率开关管q1与氢燃料电池的正极相连接，功率开关管q2与氢燃料电池的负极相连接；
35.功率开关管q3、q4安装在动力锂电池端，功率开关管q3与动力锂电池的正极相连接，功率开关管q4与动力锂电池的负极相连接；
36.功率开关管q1、q2相互连接且其连接处接入滤波电感l的正极，功率开关管q3、q4相互连接且其连接处接入滤波电感l的负极。
37.进一步的，所述功率开关管q1、q2、q3、q4均为npn型三极管，其中：
38.功率开关管q1的集电极连接氢燃料电池的正极、发射极连接功率开关管q2的集电极和滤波电感l的正极；功率开关管q2的集电极连接功率开关管q1的发射极和滤波电感l的正极、发射极连接氢燃料电池的负极和功率开关管q4的发射极；
39.功率开关管q3的集电极连接动力锂电池的正极、发射极连接功率开关管q4的集电极和滤波电感l的负极；功率开关管q4的集电极连接功率开关管q3的发射极和滤波电感l的负极、发射极连接动力锂电池的负极和功率开关管q2的发射极。
40.如图4所示，当氢燃料电池电压大于动力锂电池电压时，功率开关管q4处于关断状态，功率开关管q1、q2、q3处于开通状态，直流功率变换器处于降压状态。
41.如氢燃料电池电压为100v、车载动力电池组电压为72v时，功率开关管q3一直处于
开通状态，功率开关管q4一直处于关断状态。功率开关管q3以占空比d，与1
‑
d分别控制功率开关管q1, 功率开关管q2的开通与关断，此时整个电路工作于降压工作状态。
42.如图5所示，当氢燃料电池电压小于动力锂电池电压时，功率开关管q2处于关断状态，功率开关管q1、q3、q4处于开通状态，直流功率变换器处于升压状态。
43.如氢燃料电池电压为40v、车载动力电池组电压为72v时，功率开关管q1一直处于开通状态，功率开关管q2一直处于关断状态。功率开关管q1以占空比1
‑
d，与d分别控制功率开关管q3, 功率开关管q4的开通与关断，此直流功率变换器相关电路工作于升压状态。
44.如图6所示，当氢燃料电池电压接近于动力锂电池电压时，功率开关管q1与功率开关管q4以占空比d开通关断。功率开关管q2, 功率开关管q3以占空比1
‑
d开通关断。
45.最后需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。