一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的电路及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的电路及方法。

背景技术

氢燃料电池汽车动力来自于两部分：一个是氢燃料电池，另一个是锂离子动力电池。正常工况下，两部件同时为整车提供动力，此运行模式为混合动力模式。当氢燃料电池系统异常情况下，整车需要切换为纯锂离子电池动力输出的纯电模式继续行驶。

图1为氢燃料电池堆(简称氢堆)、DC/DC升压变换器及锂离子动力电池在大部分氢燃料电池汽车中的连接关系。当氢堆负极发生绝缘故障时，由于氢堆与锂离子动力电池负极直接连接，氢堆的绝缘故障会影响到锂离子动力电池的绝缘检测，整车系统会因为氢堆绝缘故障而无法切换为纯电模式继续行驶。

为解决氢堆绝缘故障引起整车无法切换为纯电模式的问题，部分车辆会在图1的基础上，在DC/DC升压变换器输出端增加负极接触器K2，如图2所示。在氢堆发生绝缘故障时，利用正极接触器K1及负极接触器K2完全断开氢堆，避免氢堆绝缘故障影响锂离子动力电池绝缘检测，整车就能够切换为纯电模式继续行驶，目前该方案存在缺点：DC/DC升压变换器需要两个输出接触器，增加了产品体积和成本，尤其在大电流情况下尤为明显，不利于车载产品小型化设计。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的电路及方法，能够缩小产品体积及节约产品成本，有利于推动DC/DC升压变换器产品小型化设计。

本发明实施例是这样实现的：

一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的电路，包括氢堆、DC/DC升压变换器及锂电池，氢堆与DC/DC升压变换器输入端连接，DC/DC升压变换器的输出端与锂电池连接，DC/DC升压变换器包括母线电容放电电阻R1和母线电容C2，所述DC/DC升压变换器的正极输出端与锂电池直接连接，所述DC/DC升压变换器的负极输出端通过负极接触器K2与锂电池连接；DC/DC升压变换器还包括通断控制电路U1，所述母线电容C2跨接在DC/DC升压变换器输出端之间，母线电容放电电阻R1与通断控制电路U1串联形成串联支路跨接在DC/DC升压变换器输出端之间，通断控制电路U1用于控制所述串联支路的导通或关断；

其中，通断控制电路U1受控于母线电容C2的电压自动导通或关断；

其中，母线电容放电电阻R1的阻值小于或等于1MΩ。

其中，通断控制电路U1包括N型MOS管Q2、稳压管Z1、上驱动电阻R2和下驱动电阻R3，放电电阻R1的一端接于DC/DC升压变换器的母线正极，MOS管Q2漏极D与相连母线电容放电电阻R1的另一端相连，MOS管Q2源极S接于DC/DC升压变换器的母线负极，稳压管Z1与下驱动电阻R3并联接于MOS管Q2栅极G和源极S之间，上驱动电阻R2接于MOS管Q2栅极G与DC/DC升压变换器的母线正极之间；其中，上驱动电阻R2和下驱动电阻R3的总阻值大于或等于5MΩ。

其中，当母线电容C2残压大于或等于60V时，通断控制电路U1导通，母线电容放电电阻R1对母线电容进行快速放电；当母线电容放至低于60V时，通断控制电路U1关断。

一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的方法，采用如上所述的电路进行切换。

本发明实施例通过只使用一个输出接触器的基础上，解决系统因氢堆绝缘故障时无法切换为纯电模式运行的问题，缩小产品体积及节约产品成本，有利于推动DC/DC升压变换器产品小型化设计。本发明采用负极接触器和母线电容放电电阻控制电路把氢堆从系统中断开，确保锂离子动力电池系统绝缘检测不受氢堆绝缘故障影响，系统能够顺利切换为纯电模式运行；母线电容放电电阻控制电路采用无源器件构成，能够根据母线电容的电压自动控制开通关断。

附图说明

图1是氢堆、DC/DC升压变换器及锂离子动力电池连接关系图；

图2是现有技术中的切换纯电模式电路图；

图3是本发明中切换纯电模式电路图；

图4是图3中母线放电电阻R1的通断控制电路U1电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过DC/DC升压变换器采用Boost升压电路，输入负极和输出负极非隔离。删除现有方案中(图2)DC/DC升压变换器输出正极接触器K1,保留负极接触器K2，增加母线电容放电电阻R1的通断控制电路U1，如图3所示。当氢堆发生负极接地故障时，DC/DC升压变换器通过负极接触器K2断开氢堆负极连接，保证锂离子动力电池负极绝缘检测不受影响。此时锂离子动力电池正极对地绝缘阻值等于R1，R1为母线电容C2的放电电阻。根据设备的安全规范要求，设备在断电后5min内，母线电容C2的电压需要泄放到60V以内。限于此要求，R1的阻值一般会小于1MΩ，因此锂离子动力电池正极对地绝缘也会小于1MΩ而满足不了系统运行要求,系统绝缘监测模块将触发绝缘故障，致使车辆故障停车而无法继续行驶。

当氢堆负极出现绝缘异常时，DC/DC升压变换器就会停止运行，输出负极接触器断开，确保锂离子动力电池负极绝缘检测不受影响；通过放电电阻R1的通断控制电路U1从回路中断开R1电阻，确保锂离子动力电池正极绝缘检测不受R1电阻影响。通过K2和U1可以把氢堆从系统中断开，确保锂离子动力电池系统绝缘检测不受氢堆绝缘故障影响，系统能够顺利切换为纯电模式运行。

一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的电路，包括氢堆、DC/DC升压变换器及锂电池，氢堆与DC/DC升压变换器输入端连接，DC/DC升压变换器的输出端与锂电池连接，DC/DC升压变换器包括母线电容放电电阻R1和母线电容C2，所述DC/DC升压变换器的正极输出端与锂电池直接连接，所述DC/DC升压变换器的负极输出端通过负极接触器K2与锂电池连接；DC/DC升压变换器还包括通断控制电路U1，所述母线电容C2跨接在DC/DC升压变换器输出端之间，母线电容放电电阻R1与通断控制电路U1串联形成串联支路跨接在DC/DC升压变换器输出端之间，通断控制电路U1用于控制所述串联支路的导通或关断；

其中，通断控制电路U1受控于母线电容C2的电压自动导通或关断；

其中，母线电容放电电阻R1的阻值小于或等于1MΩ。

其中，通断控制电路U1包括N型MOS管Q2、稳压管Z1、上驱动电阻R2和下驱动电阻R3，放电电阻R1的一端接于DC/DC升压变换器的母线正极，MOS管Q2漏极D与相连母线电容放电电阻R1的另一端相连，MOS管Q2源极S接于DC/DC升压变换器的母线负极，稳压管Z1与下驱动电阻R3并联接于MOS管Q2栅极G和源极S之间，上驱动电阻R2接于MOS管Q2栅极G与DC/DC升压变换器的母线正极之间；其中，上驱动电阻R2和下驱动电阻R3的总阻值大于或等于5MΩ。

其中，当母线电容C2残压大于或等于60V时，通断控制电路U1导通，母线电容放电电阻R1对母线电容进行快速放电；当母线电容放至低于60V时，通断控制电路U1关断。

一种用于氢燃料电池汽车切换纯电运行模式的方法，采用如上所述的电路进行切换。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

本发明在删除DC/DC升压变换器输出正极接触器，保留负极接触器K2的基础上，增加母线电容放电电阻R1的通断控制电路U1，如图3所示。

通断控制电路U1构成：放电电阻R1一端接母线电容正极，另一端与N型MOS管Q2漏极D相连，MOS管Q2源极S接于母线电容负极；稳压管Z1与电阻R3并联接于MOS管Q2栅极G和源极S之间；电阻R2接于MOS管Q2栅极G与与DC/DC升压变换器的母线正极，如图4所示。

工作原理：当DC/DC升压变换器母线电压大于60V或者更低时，R3上的串联分压电压大于MOS管的开通阈值电压Vth，MOS管正常导通，母线电阻R1对母线电容C2进行放电；当DC/DC升压变换器母线电压小于60V或者更低时，R3上的串联分压电压小于MOS管的开通阈值电压Vth，MOS管断开，母线电阻停止对母线电容进行放电；稳压管Z1的额定电压小于MOS管的栅极最高电压，能够避免MOS管Q2栅极因过压损坏。

当氢堆负极出现绝缘异常时，DC/DC升压变换器就会停止运行，输出负极接触器断开。此时输出母线电容C2残压大于60V或者更低，MOS管Q2导通，放电电阻R1对母线电容进行快速放电。当母线电容放至低于60V或者更低时，MOS管Q2断开，确保放电电阻R1不会影响锂电池正极的绝缘。MOS管Q2为电压型驱动，驱动电阻R2和R3可以设计为高阻值，总阻值确保大于5MΩ。当氢堆负极对地短路时，锂离子动力电池正极绝缘检测能够满足锂离子动力电池系统500Ω/V的绝缘阻值要求。

本发明实施例通过只使用一个输出接触器的基础上，解决系统因氢堆绝缘故障时无法切换为纯电模式运行的问题。使用控制电路U1代替正极接触器K1，体积从373.8cm

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。