降压模块及纯水电解制氢系统

技术领域

本发明涉及电路和制氢技术领域，特别涉及一种降压模块及纯水电解制氢系统。

背景技术

可再生能源所产生的电力电压相比电解水制氢设备的供电电压过高，不能直接用于PEM(proton exchange membrane，质子交换膜)电解水装置的制氢行为。因此，现有的解决方案，是通过降低开关频率来提高效率。虽然采用此种方式可在一定程度减少开关的损耗，但通过此种方式输出的电压纹波就会相应的增加。然而，电源和负载接口的电源转换器是电解水制氢控制柜中必要的器件之一。与PEM电解水制氢设备连接的DC/DC转换器除了用以处理高压电流的高转换降压比的重要特性外，低输出的电流纹波也是PEM电解水制氢设备中转换器所面临的问题。输出电流纹波必须尽可能低，才能从效率和制氢的角度提高设备产氢的可靠性。

发明内容

为了解决上述问题或至少部分地解决上述技术问题，本发明的部分实施方式中，设计了一种降压模块及纯水电解制氢系统，该降压模块可有效消除输出电流中的纹波，从而提高纯水电解制氢设备制氢的可靠性。

为了实现上述目的，本发明的部分实施方式提供了一种降压模块，包括：

开关电源，用于接收开关信号；

第一支路，分别与所述开关电源和负载电连接；

第二支路，分别与所述开关电源和负载电连接；

其中，所述控制单元用于根据接收到的所述开关信号以预设的占空比在第一开关状态和第二开关状态之间不断切换；

当所述开关电源切换至所述第一开关状态时，所述开关电源、所述第一支路和所述负载形成第一回路，所述第二支路和所述开关电源形成与所述负载电连接的第二回路；

当所述开关电源切换至所述第二开关状态时，所述第一支路和所述负载形成第三回路，所述开关电源、所述第二支路形成分别与所述第一支路和所述负载电连接的第四回路；

其中，所述第一支路和所述第二支路产生的纹波电流的幅值相等，相位相反。

另外，本发明的部分实施方式还提供了一种纯水电解制氢系统，包括：电解水制氢负载、控制单元、如上所述的降压模块；

其中，所述降压模块的所述开关电源用于与产生可再生能源的供电设备电连接，所述开关电源还与所述控制单元通讯连接，所述控制单元用于向所述开关电源发送开关信号；

所述降压模块的所述第一支路和所述第二支路分别与所述电解水制氢负载电连接。

本发明的部分实施方式相比于现有技术而言，当采用本实施方式的降压模块进行低电流输出时，可由开关电源接收开关信号，借助于开关信号，使得开关电源可以预设的占空比在第一开关状态和第二开关状态之间不断切换，然而由于降压模块中的第一支路和第二支路可产生两种幅值相等但相位相反的电流纹波。因此，无论开关电源的占空比如何，均可以使供给负载的电流，能够很好地消除电流中的纹波，从而提高电解水制氢负载在制氢时的可靠性。

另外，所述开关电源包括：

电源，具有正极线路、与所述负载电连接的负极线路；

第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元的一端和所述第二开关单元的一端相互串联，所述第一开关单元的另一端并联在所述电源的所述正极线路上，所述第二开关单元的另一端并联在所述电源的负极线路上；

第三开关单元和第四开关单元，所述第三开关单元的一端和所述第四开关单元的一端相互串联，所述第三开关单元的另一端并联在所述电源的所述正极线路上，所述第四开关单元的另一端并联在所述电源的负极线路上；

所述第一支路的一端并联在所述第三开关单元和所述第四开关单元的串联线路上，所述第一支路的另一端与所述负载电连接；所述第二支路的一端并联在所述第一开关单元和所述第二开关单元的串联线路上，所述第二支路的另一端并联在所述电源的负极线路上；

其中，所述第一开关单元和所述第四开关单元的开关状态相同，所述第二开关单元和所述第三开关单元的开关状态相同；

当所述第一开关单元和所述第四开关单元处于通路的状态时，所述第二开关单元和所述第三开关单元处于断路的状态；当所述第一开关单元和所述第四开关单元处于断路的状态时，所述第二开关单元和所述第三开关单元处于通路的状态；

所述第一开关单元和所述第四开关单元处于通路的状态为所述第一开关状态，所述第二开关单元和所述第三开关单元处于通路的状态为所述第二开关状态。

另外，所述第一开关单元包括：第一开关和第一二极管；

所述第二开关单元包括：第二开关和第二二极管；

所述第一开关的一端和所述第一二极管的一端均并联在所述电源的所述正极线路上，所述第二开关的一端和所述第二二极管的一端均并联在所述电源的所述负极线路上；

所述第一开关的另一端与所述第二开关的另一端串联，所述第一二极管的另一端与所述第二二极管的另一端串联；

所述第二支路的一端并联在所述第一开关和所述第二开关的串联线路上，以及并联在所述第一二极管和所述第二二极管的串联线路上。

另外，所述第一开关具有第一信号接收端，所述第二开关还具有第二信号接收端；所述第一信号接收端和所述第二信号接收端用于接收所述开关信号。

另外，所述第三开关单元包括：第三开关和第三二极管；

所述第四开关单元包括：第四开关和第四二极管；

所述第三开关的一端和所述第三二极管的一端均并联在所述电源的所述正极线路上，所述第四开关的一端和所述第四二极管的一端均并联在所述电源的所述负极线路上；

所述第三开关的另一端与所述第四开关的另一端串联，所述第三二极管的另一端与所述第四二极管的另一端串联；

所述第一支路的一端并联在所述第三开关和所述第四开关的串联线路上，以及并联在所述第三二极管和所述第四二极管的串联线路上。

另外，所述第三开关具有第三信号接收端，所述第四开关还具有第四信号接收端；所述第三信号接收端和所述第四信号接收端用于接收所述开关信号。

另外，所述第一支路包括：依次串联的第一电阻和第一电感；

其中，所述第一电阻的一端并联在所述第三开关和所述第四开关串联的线路，以及并联在所述第三二极管和所述第四二极管的串联线路上，所述第一电感的一端与所述负载电连接。

另外，所述第二支路包括：依次串联的第二电阻、第二电感和第二电容；

所述第二电阻的一端并联在所述第一开关和所述第二开关的串联线路上，以及并联在所述第一二极管和所述第二二极管的串联线路上，所述第二电容的一端并联在所述电源的所述负极线路上。

另外，所述第二支路还包括：第一电容，所述第一电容串联在所述第二电容与所述电源的所述负极线路之间。

另外，所述负载为电解水制氢负载。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅用于示意本申请的一些实施方式，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中未提及的技术特征、连接关系乃至方法步骤。

图1为现有制氢系统在输出电压的波形图；

图2为现有制氢系统在输出电流的波形图；

图3为本发明的第一实施方式的降压模块的开关电源被切换至第一开关状态时，降压模块向电解水制氢负载供电的电路模块框图；

图4为本发明的第一实施方式的降压模块的开关电源被切换至第二开关状态时，降压模块向电解水制氢负载供电的电路模块框图；

图5为本发明的第一实施方式的降压模块与电解水制氢负载连接的电路模块框图；

图6为本发明的第一实施方式中第一支路稳定8V电压的输出电流波形图；

图7为本发明的第一实施方式中第二支路稳定8V电压的输出电流波形图；

图8为本发明的第一实施方式中电压从6V攀升至8V时，第一支路的输出电流波形图；

图9为本发明的第一实施方式中电压从6V攀升至8V时，降压模块的输出电流波形图；

图10为本发明的第一实施方式中电压从6V攀升至8V时，降压模块的输出电压波形图；

图11为本发明的第一实施方式中电压从6V攀升至8V时，第二支路的输出电流波形图；

图12为本发明的第二实施方式的纯水电解制氢系统的电路模块框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

在现有技术中，可再生能源所产生的电力电压相比电解水制氢设备的供电电压过高，不能直接用于PEM电解水装置的制氢行为。因此，现有的解决方案，是通过降低开关频率来提高效率，虽然，采用此种方式可在一定程度减少开关的损耗，但通过此种方式，输出的电压纹波和纹波电流就会相应的增加。其中，如图1和图2所示，当电解水制氢设备的输出电压为8V时，对应的输出电流为29.432A，通过截取电解水制氢设备在一定时长内的输出电流和输出电压不难看出，从4s到4.0004s电解水制氢设备的输出电压和输出电流均会以周期性震荡，即出现纹波电流和纹波电压。然而，电源和负载接口的电源转换器是电解水制氢控制柜中必要的器件之一。与PEM电解水制氢设备连接的DC/DC转换器除了用以处理高压电流的高转换降压比的重要特性外，低输出的电流纹波也是PEM电解水制氢设备中转换器所面临的问题。输出电流纹波和电压纹波必须尽可能低，才能从效率和制氢的角度提高设备产氢的可靠性。

实施例一

本发明的第一实施方式提供一种降压模块，如图3、图4和图5所示，包括：开关电源1、第一支路2和第二支路3。

其中，如图3所示，开关电源1可用于接收开关信号，其次，第一支路2分别与开关电源1和负载电连接，第二支路3分别与开关电源1和负载电连接，而开关电源1用于根据接收到的开关信号，以预设的占空比在第一开关状态和第二开关状态之间不断切换。

另外，如图5所示，第一支路2分别与开关电源1和负载电连接，同时，第二支路3同样分别与开关电源1和负载电连接。

在实际应用时，负载采用的是电解水制氢负载4，同时，可将本实施方式的降压模块的开关电源1与制氢设备的控制模块(图中未标示)通讯连接，使得开关电源1可根据控制模块发出的开关信号，以预设的占空比在第一开关状态和第二开关状态之间不断切换。

并且，当开关电源1根据开关信号切换至第一开关状态时，结合图3所示，开关电源1、第一支路2和电解水制氢负载4可形成第一回路，同时，第二支路3和开关电源1形成与电解水制氢负载4电连接的第二回路。当开关电源1根据开关信号切换至第二开关状态时，结合图4所示，第一支路2和电解水制氢负载4形成第三回路，同时，开关电源1、第二支路3形成分别与第一支路2和电解水制氢负载4电连接的第四回路。需要说明的是，在本实施方式中，第一支路2和第二支路3产生的纹波电流的幅值相等，但相位相反。由此不难看出，无论本实施方式的降压模块的开关电源1的占空比如何，由于第一支路2和第二支路3产生的纹波电流的幅值相等，相位相反，因此，可以使供给电解水制氢负载4的电流，能够很好地消除电流中的纹波，从而可有效提高电解水制氢负载4在制氢时的可靠性。

具体地说，在本实施方式中，如图5所示，开关电源1包括：电源11、第一开关单元12、第二开关单元13、第三开关单元14和第四开关单元15。其中，如图5所示，电源11具有正极线路111、与电解水制氢负载4电连接的负极线路112。并且，第一开关单元12的一端和第二开关单元13的一端相互串联，而第一开关单元12的另一端并联在电源11的正极线路111上。同时，第二开关单元13的另一端并联在电源11的负极线路112上。

另外，在本实施方式中，如图5所示，第三开关单元14的一端和第四开关单元15的一端相互串联。同时，第三开关单元14的另一端并联在电源11的正极线路111上，而第四开关单元15的另一端并联在电源11的负极线路112上。

其次，如图5所示，第一支路2的一端并联在第三开关单元14和第四开关单元15的串联线路上，第一支路2的另一端与电解水制氢负载4电连接，第二支路3的一端并联在第一开关单元12和第二开关单元13的串联线路上，第二支路3的另一端并联在电源11的负极线路112上。

并且，值得一提的是，在本实施方式中，第一开关单元12和第四开关单元15的开关状态相同，而第二开关单元13和第三开关单元14的开关状态相同。在实际工作时，当第一开关单元12和第四开关单元15处于通路的状态时，第二开关单元13和第三开关单元14处于断路的状态。反之，当第一开关单元12和第四开关单元15处于断路的状态时，第二开关单元13和第三开关单元14处于通路的状态。并且，需要说明的是，在本实施方式中，第一开关单元12和第四开关单元15处于通路的状态为第一开关状态，而第二开关单元13和第三开关单元14处于通路的状态为第二开关状态。

另外，为了能够在第一开关单元12和第四开关单元15在通路的状态下，使得第一回路和第二回路可形成，同时，为了能够在第二开关单元13和第三开关单元14在通路的状态下，使得第三回路和第四回路可形成，在本实施方式中，如图5所示，第一开关单元12包括：第一开关121和第一二极管122，而第二开关单元13包括：第二开关131和第二二极管132。其中，结合图5所示，第一开关121的一端和第一二极管122的一端均并联在电源11的正极线路111上，同时，第二开关131的一端和第二二极管132的一端均并联在电源11的负极线路112上，而第一开关121的另一端与第二开关131的另一端串联，第一二极管122的另一端与第二二极管132的另一端串联。另外，如图5所示，第二支路3的一端并联在第一开关121和第二开关131的串联线路上，以及并联在第一二极管122和第二二极管132的串联线路上。

并且，需要说明的是，在本实施方式中，结合图5所示，第二支路3包括：依次串联的第二电阻31、第二电感32和第二电容33。其中，第二电阻31的一端并联在第一开关121和第二开关131的串联线路上，以及并联在第一二极管122和第二二极管132的串联线路上，而第二电容33的一端并联在电源11的负极线路112上。

另外，如图5所示，第三开关单元14包括：第三开关141和第三二极管142，而第四开关单元15包括：第四开关151和第四二极管152。其中，第三开关141的一端和第三二极管142的一端均并联在电源11的正极线路111上，同时，第四开关151的一端和第四二极管152的一端均并联在电源11的负极线路112上。而第三开关141的另一端与第四开关151的另一端串联，第三二极管142的另一端与第四二极管152的另一端串联。另外，如图5所示，第一支路2的一端并联在第三开关141和第四开关151的串联线路上，以及并联在第三二极管142和第四二极管152的串联线路上。

并且，需要说明的是，在本实施方式中，结合图5所示，第一支路2包括：依次串联的第一电阻21和第一电感22。其中，第一电阻21的一端并联在第三开关141和第四开关151串联的线路，以及并联在第三二极管142和第四二极管152的串联线路上，而第一电感22的一端与电解水制氢负载4电连接。

通过上述内容不难看出，当第一开关单元12和第四开关单元15处于通路的状态，而第二开关单元13和第三开关单元14处于断路的状态时，即第一开关121和第四开关151吸合，而第二开关131和第三开关141断开，结合图3所示，开关电源1、第一电阻21、第一电感22以及电解水制氢负载4可形成第一回路，同时，开关电源1、第二电阻31、第二电感32、第二电容33形成与电解水制氢负载4电连接的第二回路。此时，通过图3不难看出，一方面，在第一回路中，即在初级侧，第一电感22既流经电解水制氢负载4所需的全部DC直流电流，同时又会流过一部分低压的AC交流电流，此时，输出电压＝D*输入电压，其中，D为第一开关121和第四开关151在一个脉冲周期内吸合时的时长，并且，如图6所示，此时，在第一回路中，流过第一支路2的交流电表现出与传统Buck转换器相同的三角波形，另一方面，在第二回路中，由于直流DC分量会被第二电容器33阻挡，因此，仅一部分的交流AC电流可通过第二电感32，如图7所示，使得流过第二支路3的交流电表现出的三角波形与流过第一支路2的交流电的三角波的形相位完全相反，即流过两个支路的交流电流的相位彼此相互偏移180°，因此使得流过两个支路上的交流电成反对称相互互补，从而促使两个交流电中的纹波可相互抵消，因此可以很好的消除输出电流中的纹波。比如说，当电压从6V上升至8V的过程中，如图8、图9和图10所示，此时第一支路2的输出电流和整个降压模块的输出电流以及输出电压会迅速攀升，同时，如图11所示，第二支路3的输出电流会产生一定的纹波电流，而当电压稳定在8V输出时，如图6和图7所示，虽然第一支路2和第二支路3均会产生纹波电流，但流过第二支路3的交流电表现出的三角波形与流过第一支路2的交流电的三角波形的相位完全相反，从而有效消除了纹波电流和纹波电压，通过图11所示，此时降压模块的输出电压基本平缓，因此可有效提高电解水制氢负载4在制氢时的可靠性。

而当第一开关单元12和第四开关单元15处于断路的状态，第二开关单元13和第三开关单元14处于通路的状态时，即第一开关121和第四开关151断开，而第二开关131和第三开关141吸合，结合图4所示，第一电阻21、第一电感22和电解水制氢负载4形成第三回路，同时，开关电源1、第二电阻31、第二电感32和第三电容33形成分别与第一支路2和电解水制氢负载4电连接的第四回路。此时，输出电压＝输入电压*(1-D)-第二电容33两端的电压，其中，1-D为第二开关131和第三开关141在一个脉冲循环周期内吸合时的时长，通过图4可得出，一方面，电源提供的DC电流会被第二电容33阻挡，因此，仅一部分AC交流电流可通过第二电感32，而另一部分交流电又可通过第一电感22，此时流过第一电感11和第二电感32的两个交流电流同样是相互偏移180°，因此，在状态下同样可使得两个交流电成反对称相互互补，导致两个交流电中的纹波可相互抵消，同样可以很好的消除输出电流中的纹波。比如说，当电压从6V上升至8V的过程中，如图8、图9和图10所示，此时第一支路2的输出电流和整个降压模块的输出电流以及输出电压会迅速攀升，同时，如图11所示，第二支路3的输出电流会产生一定的纹波电流，而当电压稳定在8V输出时，如图6和图7所示，虽然第一支路2和第二支路3均会产生纹波电流，但流过第二支路3的交流电表现出的三角波形与流过第一支路2的交流电的三角波形的相位完全相反，从而有效消除了纹波电流和纹波电压。通过图11所示，此时降压模块的输出电压基本平缓，因此可有效提高电解水制氢负载4在制氢时的可靠性。

通过上述内容不难看出，本实施方式的降压模块无论第一开关121、第二开关131、第三开关141和第四开关151的占空比值如何，均可有效消除输出电流中的纹波。

同时，为了能够让第一开关单元12、第二开关单元13、第三开关单元14和第四开关单元15可根据开关信号进行切换，在本实施方式中，第一开关121具有第一信号接收端、第二开关131具有第二信号接收端、第三开关141具有第三信号接收端、第四开关151具有第四信号接收端。由此可知，在实际应用时，第一开关121、第二开关131、第三开关141和第四开关151可通过各自的信号接收端接收开关信号，从而实现开关状态的切换。

另外，作为优选地方案，在部分实施方式中，如图5所示，第二支路3还包括：第一电容34，并且，该第一电容34串联在第二电容33与电源11的负极线路112之间。借助于第一电容34，可在第二支路3出现故障时，即第二电感32、第二电容33发生故障时，则意味着第二电容33、第二电感32、第二开关131和第三开关141的中断，此时，第一电容34的工作方式类似于标准Buck转换器，通过第一电容34可有效消除电解水制氢负载4中的电流纹波。

实施例二

本发明的第二实施方式提供一种纯水电解制氢系统，如图12所示，包括：电解水制氢负载4、控制单元5、如第一实施方式所述的降压模块。

其中，如图12所示，降压模块的开关电源1用于与产生可再生能源的供电设备6电连接，同时，开关电源1还与控制单元5通讯连接，该控制单元5可用于向开关电源1发送开关信号。而降压模块的第一支路2和第二支路3分别与电解水制氢负载4电连接。

通过上述内容不难看出，当采用本实施方式的降压模块在进行低电流输出时，可由开关电源1接收控制单元5发送的开关信号，借助于开关信号，使得开关电源1可以预设的占空比在第一开关状态和第二开关状态之间不断切换，然而由于降压模块中的第一支路2和第二支路3可产生两种幅值相等但相位相反的电流纹波。因此，无论开关电源1的占空比如何，均可以使供给电解水制氢负载4的电流，能够很好地消除电流中的纹波，从而提高纯水电解制氢系统在制氢时的可靠性。

最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本申请的实施方式提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。