专利名称：用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置。
背景技术：
燃料电池及相关技术研究已成为各工业国家具有重大战略意义的能源领域新技术的热门课题。燃料电池电动汽车及相关技术已被各工业国家和国际型汽车工业集团列为优先发展的重大技术课题。国家863电动汽车重大专项中，已将燃料电池电动汽车及相关技术列为关键技术攻关课题。燃料电池变换装置(以下简称DC/DC)是燃料电池电动汽车的关联技术，已被列为电动汽车重大专项的关键技术攻关课题。
DC/DC的基本功能是，将电压变动范围高达一倍的、较低的燃料电池输出电源，提升到电压幅度足够高的稳定电源，以满足电动汽车驱动和控制系统对电源电压幅值及稳定度的要求。且必须具有与燃料电池输出特性良好匹配的控制特性。
但目前尚未见到有符合本国家863电动汽车重大专项技术要求的燃料电池DC/DC的报道。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于电动汽车燃料电池组的电源变换装置。它可将较低的、电压变动范围大的、功率大至160KW以上的燃料电池输出动力电源，提升到电压幅值足够高和电压稳定度高的稳定电力电源，以适应电动汽车驱动和控制系统对电压幅值及稳定度的要求。
本发明的任务通过以下技术方案实现一种用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置，它包括一DC/DC模块或多个DC/DC模块和一个均流控制模块，各DC/DC模块输出的电压并联后接均流控制模块的电压调整端，各DC/DC模块输出的电流检测信号接均流控制模块的电流信号采集端，均流控制模块输出的均流控制信号接各DC/DC模块的均流控制信号输入端。
DC/DC模块由主回路、控制芯片、输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测、开关管驱动信号、输出电流信号、均流控制信号各部分组成，其中主回路为升压电路；输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测部分的输入均接主回路，输出均接控制芯片；开关管驱动信号的输入接控制芯片，输出接主回路；输出电流信号部分的输入接主回路；均流控制信号部分的输出接输出电压检测部分的输入。
所述控制芯片的型号为MC3×262；所述主回路是由滤波电容、串接于电源输出回路中的的电感和整流二极管、接在电感器后端与电源地间的开关管构成的升压电路；所述输入电压检测部分由两电阻和一电容构成，两电阻串联后接在电源正端与地之间，其串联点接控制芯片的3端，电容接在控制芯片的3端与地之间；所述零电流检测部分由与主回路的电感耦合的电感、二极管、电阻和电容构成，该电感和二极管、电阻、电容依次串联后接电源地，电阻和电容的串联点接控制芯片的8端，电感的另端和二极管的阴极接电源芯片的输入端，电源芯片的输出接控制芯片的4、2端；所述峰值电流检测部分由接在主回路中电感后端的电流互感器与电位器串联构成，电流互感器的输出经电位器调节后接控制芯片的5端；所述输出电压检测部分由接主回路输出的电阻和电位器组成，电位器的调节端接控制芯片的1端；所述开关管驱动信号由控制芯片的7端提供给开关管的控制端；所述输出电流信号部分由接在主回路输出的电流互感器构成；所述均流控制信号部分由光耦器构成，其输出接控制芯片的1、4端。
所述均流控制模块由数量与DC/DC模块相等的控制芯片UC3902构成，其中各控制芯片的电流信号采集端接对应DC/DC模块的输出电流信号端；各控制芯片的均流控制信号接对应DC/DC模块的均流控制端；各控制芯片的电压调整端并接后接各DC/DC模块的电压输出端。
本发明采用了由新型boost控制电路构成的若干DC/DC模块，可以由一个DC/DC模块构成小功率的DC/DC装置，或由若干个DC/DC模块和一个均流模块组成输入电压为50V-400V，额定输出功率可达160KW以上的多种额定电压和额定功率的燃料电池电动汽车用大功率DC/DC装置。
由于本发明的主回路采用新型的boost变换电路，该电路与通常采用的全桥变换电路相比，不仅具有结构简单的特点，而且具有变换效率高(导通损耗降低一倍以上)、电压提升幅度的自由度大(同一装置的电压变换幅度可在2.4-7倍范围内任意设定)的突出优势。
由于本发明的控制系统采用了MC3×262高性能新型PCF集成控制器，由该控制器组成具有零电流开关功能的电路，不仅大幅度降低了系统损耗，提高了效率，而且降低了装置内功率开关器件的技术要求，可采用价格较低的低速器件，组装成更高频率的高功率DC/DC，还大幅度降低了系统功率器件的开关噪声和整机电磁搔扰度，对提高整车电磁搔扰度性能具有重要作用。
本发明装置的特殊结构实现了采用其它同类装置不具备的超宽输入输出电压范围。每一个模块的输入电压可在50V-400V超宽范围内变化，输出电压可在120V-460V的超宽范围内任意设定。
本发明装置采用了模块化结构和均流电路，可以由一个DC/DC模块独立成为一个小功率DC/DC装置，还可由若干个DC/DC模块组成大至160KW以上的多种额定功率的DC/DC装置，以满足不同功率等级的电动汽车对DC/DC装置的功率要求。
图1是由单个DC/DC模块构成的小功率DC/DC装置电原理图；图2是本发明的DC/DC模块结构框图；图3是本发明的DC/DC模块电原理图；图4是本发明的多个DC/DC模块组成的大功率DC/DC装置电原理图；图5是由多个DC/DC模块组成的大功率DC/DC装置电原理图；图6是本发明的均流控制模块电原理图。
具体实施例方式
本发明为一种用于电动汽车燃料电池组的电源变换装置，可由一个DC/DC模块构成30KW以下的小功率电压变换装置，也可以由若干个DC/DC模块并联和一个均流控制模块构成大至160KW以上的大功率电源变换装置。
参照图1，图示是由一个DC/DC模块构成的小功率电源变换装置。燃料电池输出的不稳定电源，由201、202接线端输入，经DC/DC变换后，由203、204接线端输出到电动汽车的电源输入端。
参照图2，DC/DC模块由主回路、控制芯片、输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测、开关管驱动信号、输出电流信号、均流控制信号各部分组成。其中主回路为升压电路；输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测部分的输入均接主回路，输出均接控制芯片；开关管驱动信号的输入接控制芯片，输出接主回路；输出电流信号部分的输入接主回路；均流控制信号部分的输出接输出电压检测部分的输入。
参照图3。DC/DC模块升压变换主回路是由滤波电容器C201和C202、串接于电源输出回路中的升压电感L201、整流二极管D202、接在电感器L201后端与电源地间的开关管T201构成的升压电路。由该电路组成的DC/DC变换器的升压比可大到7倍输入电压，并具有极低的传导损耗。
U201(MC3×262)是DC/DC变换器的控制器。
输入电压检测部分由电阻R201、R204和电容C203构成，电阻R201和R204串联后接在电源正端与地之间，其串联点接控制芯片U201的3端，电容C203接在控制芯片U201的3端与地之间。
零电流检测部分由与主回路的电感L201耦合的电感、二极管D201、电阻R203和电容C204构成，该电感和二极管D201、电阻R203、电容C204依次串联后接电源地，电阻和电容的串联点接控制芯片U201的8端，电感的另端和二极管D201的阴极接电源芯片POWER的输入端，电源芯片POWER的输出接控制芯片U201的4、2端。
峰值电流检测部分由接在主回路中电感后端的电流互感器LEM201与电位器W202串联构成，电流互感器的输出经电位器调节后接控制芯片U201的5端。
输出电压检测部分由接主回路输出的电阻R206和电位器W201组成，电位器的调节端接控制芯片U201的1端。
开关管驱动信号由控制芯片U201的7端提供给开关管T201的控制端。
输出电流信号部分由接在主回路输出的电流传感器LEM202构成。
均流控制信号部分由光耦器U202构成，其输出接控制芯片的1、4端。
由L201、D201、POWER、C205组成的电源电路，向以控制芯片U201为核心的控制电路提供控制电源。POWER的输入电压范围非常宽，使用于50V-500V任何电压段，POWER的输出电压随电感L201中电流的大小变化。
该DC/DC模块的工作原理是电源输入电压信号经R201、R204、C203组成的耦合电路从控制芯片U201-3输入；零电流信号经L201、R203、C204组成的耦合电路从控制芯片U201-8输入；输出电压信号经R206、W201组成的电压检测电路从控制芯片U201-1输入；峰值电流由电流互感器LEM201、W202组成的检测电路从控制芯片U201-5输入；LEM202为均流模块提供本DC/DC模块的输出电流信号；U202接受均流模块的均流控制信号。上述各输入信号输入到U201后，产生控制信号从U201-7输出，控制开关管T201，实现电压升压变换控制。
设置零电流检测电路，实现零电流开关，是本DC/DC变换器的显著特点之一。零电流开关可大幅度降低开关损耗和电磁骚扰。
参照图4，图示是由若干个DC/DC模块(DC/DC-1～DC/DC-5)并联和一个均流控制模块JMK2构成大至160KW以上的大功率DC/DC变换器。各DC/DC模块的电源输入端(INPUT+/-)经并联后接到电源变换系统电源输入端101和102，各输出端(OUT+/-)经并连后接到电源变换装置的输出端103和104。
每个DC/DC模块具有独立的电压提升功率控制和特性匹配控制功能。均流控制模块的作用是在多个模块并联时，使DC/DC变换装置在输出任意功率时，各DC/DC模块都能实现功率平衡输出，防止在较低输出功率时，个别DC/DC模块输出比其他DC/DC模块更大的功率。
DC/CD-1～DC/DC-5模块的控制端经208、207、205、206接线端分别连接到均流控制模块JMK2的3×1、3×2、3×3、3×4，均流控制模块JMK2的309、310接线端连接到DC/DC变换装置输出端204、203。
均流控制模块JMK2从3×3输入各并联模块的输出电流信号，从309、310输入DC/DC变换器输出的母线电压，经模块JMK2处理后，从3×1、3×2输出控制信号，控制各DC/DC模块的输出功率，以实现各DC/DC模块平均分担DC/DC装置输出总功率。
图5也是由多个DC/DC模块组成的大功率DC/DC装置的输入端，但其各DC/DC模块的电源输入端(INPUT+/-)与相互独立的各燃料电池输出电源连接。
参照图6，均流控制模块由数量与DC/DC模块相等的控制芯片UC3902(U301～U305)构成，其中各控制芯片U30x的电流信号采集端3接对应DC/DC模块的输出电流信号端；各控制芯片的电压调整端6和7并接后接各DC/DC模块的电压输出端；各控制芯片U30x的均流控制信号端1和2接对应DC/DC模块的均流控制端。
其工作原理是各DC/DC模块的输出电流信号从3×3输入，经电阻R3×1耦合到U30x-3，各DC/DC模块的输出总线电压从309、310输入到U30x-6和U30x-7，各控制芯片U30x发出的均流控制信号经3×1、3×2输出到各DC/DC模块。
权利要求
1.一种用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置，其特征在于它包括DC/DC模块，该模块由主回路、控制芯片、输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测、开关管驱动信号、输出电流信号、均流控制信号各部分组成，其中主回路为升压电路；输入电压检测、零电流检测、峰值电流检测、输出电压检测部分的输入均接主回路，输出均接控制芯片；开关管驱动信号的输入接控制芯片，输出接主回路；输出电流信号部分的输入接主回路；均流控制信号部分的输出接输出电压检测部分的输入。
2.如权利要求1所述的用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置，其特征在于它包括多个DC/DC模块和一个均流控制模块，各DC/DC模块输出的电压并联后接均流控制模块的电压调整端，各DC/DC模块输出的电流检测信号接均流控制模块的电流信号采集端，均流控制模块输出的均流控制信号接各DC/DC模块的均流控制信号输入端。
3.如权利要求1或2所述的用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置，其特征在于所述控制芯片的型号为MC3×262；所述主回路是由滤波电容、串接于电源输出回路中的的电感和整流二极管、接在电感器后端与电源地间的开关管构成的升压电路；所述输入电压检测部分由两电阻和一电容构成，两电阻串联后接在电源正端与地之间，其串联点接控制芯片的3端，电容接在控制芯片的3端与地之间；所述零电流检测部分由与主回路的电感耦合的电感、二极管、电阻和电容构成，该电感和二极管、电阻、电容依次串联后接电源地，电阻和电容的串联点接控制芯片的8端，电感的另端和二极管的阴极接电源芯片的输入端，电源芯片的输出接控制芯片的4、2端；所述峰值电流检测部分由接在主回路中电感后端的电流互感器与电位器串联构成，电流互感器的输出经电位器调节后接控制芯片的5端；所述输出电压检测部分由接主回路输出的电阻和电位器组成，电位器的调节端接控制芯片的1端；所述开关管驱动信号由控制芯片的7端提供给开关管的控制端；所述输出电流信号部分由接在主回路输出的电流互感器构成；所述均流控制信号部分由光耦器构成，其输出接控制芯片的1、4端。
4.如权利要求2所述的用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置，其特征在于所述均流控制模块由数量与DC/DC模块相等的控制芯片UC3902构成，其中各控制芯片的电流信号采集端接对应DC/DC模块的输出电流信号端；各控制芯片的均流控制信号接对应DC/DC模块的均流控制端；各控制芯片的电压调整端并接后接各DC/DC模块的电压输出端。
全文摘要
一种用于电动汽车燃料电池组的电压变换装置,包括一DC/DC模块或多个DC/DC模块和一个均流控制模块,各DC/DC模块输出的电压并联后接均流控制模块的电压调整端,各DC/DC模块输出的电流检测信号接均流控制模块的电流信号采集端,均流控制模块输出的均流控制信号接各DC/DC模块的均流控制信号输入端。它可将较低的、电压变动范围大的、功率大至160KW以上的燃料电池输出动力电源,提升到电压幅值足够高和电压稳定度高的稳定电力电源,以适应电动汽车驱动和控制系统对电压幅值及稳定度的要求。
文档编号H02M3/28GK1352484SQ0113616
公开日2002年6月5日 申请日期2001年11月15日 优先权日2001年11月15日
发明者钱良国, 邵化江, 田玉平, 顾向阳 申请人:北京机电研究所