一種燃料電池混合動力汽車系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于新能源混合動力汽車技術領域，涉及一種燃料電池混合動力汽車系 統，在國際分類表上屬于B60W或B60K的分類領域。
【背景技術】
[0002] 燃料電池用于車輛驅動，為能源問題和環境污染問題提供了一個有效的解決方 案。純燃料電池電池汽車只有燃料電池一個動力源，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)對燃料電池系統的動態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以 延長其使用壽命和提高效率，然而，驅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動形式，即在燃料電池的 基礎上，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系統結構圖如圖1所示，FC+B的組合 降低了對燃料電池的功率和動態性能的要求，同時降低了成本，但增加了驅動系統的重量、 體積和復雜性。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。
[0003] FC+B系統存在四種運行模式，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 應時間，改善動態性能，同時保證燃料電池工作在安全高效的狀態；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，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。
[0004] 常規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、下器件不能同時導通，由電磁干擾造成的誤觸發導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，所以驅動電動機的恒 轉矩輸出的轉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節，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 法增加了系統的成本和控制復雜性，降低了變換效率，而且并沒有解決上述常規電壓源逆 變器中存在的問題。

【發明內容】

[0005] 本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種能夠降低系統成本和簡化系統 結構、提高系統可靠性和使用壽命、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。
[0006] 本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：
[0007] 本發明的燃料電池混合動力汽車系統，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， 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。
[0008] 優選地，第一電容、第二電容均為有極性電容。
[0009] 有益效果：本發明的優點在于：（1)傳統電壓源型逆變器只有一個控制變量，通過 控制調制比（m)調節輸出交流電壓；獨級升壓逆變器有兩個控制變量，通過調節直通占空 比（DO)和調制比（m)，可以控制輸出到電機的交流電壓、調節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"狀態是指三相逆變橋上下開關管直通，由 于在傳統零矢量中注入，且直通零矢量與傳統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，調節直通零矢量作用時間，可實現逆變器輸入側直流母線 電壓（Vb)的可控提升，從而逆變輸出期望的交流電壓。（2)通過調節耦合電感匝比（N= N2/N1)和直通零矢量的占空比（DO)，該獨級升壓逆變器可以提供較大的升壓能力，提高并 穩定母線電壓，從而獲得提升的逆變電壓，相對于傳統的增加DC-DC變換器的方案，簡化了 系統結構，降低了系統成本。（3)該獨級升壓逆變器使用"直通零矢量"狀態，避免了由于電 磁干擾造成的誤觸發導致器件損壞的問題，提高了系統可靠性。
【附圖說明】
[0010] 圖1顯示出"燃料電池+蓄電池"系統結構圖；
[0011] 圖2顯示出"燃料電池+蓄電池"系統的運行模式；
[0012] 圖3顯示出帶雙向變換器的系統結構圖；
[0013] 圖4顯示出本發明采用獨級升壓逆變器的系統結構圖。
【具體實施方式】
[0014] 如附圖4所示，本發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， 系統包括燃料電池組、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Nl、N2緊耦合且NI<N2 (匝數比N1/N2 < 1)的耦合電感，其等效模型為理想變 壓器和勵磁電感Lm的并聯，再與漏感Lk串聯，漏感Lk的另一端與阻斷二極管Dl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Cl的一端，勵磁電感 Lm的另一端與第四二極管D4的陽極相連，阻斷二極管Dl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， 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