质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器及方法

技术领域

本发明属于燃料电池发电技术领域，具体涉及一种质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器及方法。

背景技术

甲醇重整燃料电池能够解决分布式新能源发电的不确定性、间歇性以及波动性等问题，但是甲醇重整燃料电池直接发出的电能功率输出特性软，电压低且电压变换范围宽，不能远距离传输，需要经过直流变换器进行电能转变为功率可控，升压且稳定才能与其他设备互连，同时甲醇重整燃料电池的质子交换膜对于输出电流纹波较为敏感，电流纹波大将缩减电池寿命，用电设备与甲醇重整燃料电池间需增加直流变换器加以抑制。因此，计及甲醇重整燃料电池发电特性直流变换器研究具有十分重要的意义。

目前，考虑增强燃料电池效率、抑制电流纹波的甲醇重整燃料电池发电用的直流变换器方案主要按照是否具备电气隔离能力分可分成非隔离型与隔离型。用于甲醇重整燃料电池发电的升压非隔离型直流变换器主要的结构有boost、Cuk等拓扑结构，此类结构具有控制简单、体积小与效率较高等优势，但是非隔离型结构不含高频变压器，升压能力有限，且输出跟输入没有电气隔离，考虑到甲醇重整燃料电池发电安全等因素，这种类型变换器在大功率燃料电池发电场合并不适用。

隔离型变换器主要的拓扑结构有移相全桥、LLC、DAB等，通过加入高频变压器具有易实现高降压、电气隔离、可靠性较高等优势，应用前景广泛。隔离变压器的引入会致使很多不必要的电路寄生参数产生，会使开关器件出现电流、电压尖峰而严重破坏电路安全。其直接应用于甲醇重整燃料电池发电场景最为关键的为电流纹波较大，影响燃料电池使用寿命。为解决电流纹波问题现有通常采样多相交错的方式降低纹波，但是导致直流变换器结构复杂，系统稳定性降低。

综上所述，用于甲醇重整燃料电池发电用的非隔离型直流变换器不具备电气隔离，升压能力不足，已无法满足现在高电压、大功率等场景需求；隔离型直流变换器电流纹波大，影响甲醇重整燃料电池的使用寿命，甲醇重整燃料电池的适配性差；因此甲醇重整燃料电池发电用直流变换器新方案亟待研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，其将DAB与Boost变换器两者的优点融合到一起，可以兼顾电气隔离、高升压比、降低电流纹波等特性，适用于不同电压等级的甲醇重整燃料电池发电场景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，包括前级DAB电路和输入与前级DAB电路的输出直接连接的后级Boost电路；

所述前级DAB电路包括输入滤波电容C1、输出滤波电容C2、高频变压器T、变压器等效漏感L、一次桥臂H1和二次桥臂H2，所述甲醇重整燃料电池与输入滤波电容C1并联，所述一次桥臂H1的正极输入端与甲醇重整燃料电池的正极连接，所述一次桥臂H1的负极输入端与甲醇重整燃料电池的负极连接，所述变压器等效漏感L的一端与一次桥臂H1的正极输出端连接，所述变压器等效漏感L的另一端与高频变压器T的一次侧一端连接，所述高频变压器T的一次侧另一端与一次桥臂H1的负极输出端连接；所述二次桥臂H2的正极输出端与高频变压器T的二次侧一端连接，所述二次桥臂H2的负极输出端与高频变压器T的二次侧另一端连接，所述二次桥臂H2的正极输入端与输出滤波电容C2的一端连接，且与所述后级Boost电路的正极输入端连接；所述二次桥臂H2的负极输入端与输出滤波电容C2的另一端连接，且与所述后级Boost电路的负极输入端连接；

所述后级Boost电路包括电感L1、电容C3、开关管S9和开关管S10，所述电感L1的一端为所述后级Boost电路的正极输入端，所述电感L1的另一端与开关管S9的栅极和开关管S10的栅极连接，所述开关管S9的源极与电容C3的一端连接且为所述后级Boost电路的负极输出端，所述开关管S10的源极与电容C3的另一端连接且为所述后级Boost电路的正极输出端。

上述的质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，所述一次桥臂H1包括四个功率Mosfet，分别为S1、S2、S3、S4，所述S1的栅极与S3的栅极连接且为所述一次桥臂H1的正极输入端，所述S2的源极与S4的源极连接且为所述一次桥臂H1的负极输入端，所述S1的源极与S2的栅极连接且为所述一次桥臂H1的正极输出端，所述S3的源极与S4的栅极连接且为所述一次桥臂H1的负极输出端。

上述的质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，所述二次桥臂H2包括四个功率Mosfet，分别为S5、S6、S7、S8，所述S5的栅极与S7的栅极连接且为所述二次桥臂H2的正极输入端，所述S6的源极与S8的源极连接且为所述二次桥臂H2的负极输入端，所述S5的源极与S6的栅极连接且为所述二次桥臂H2的正极输出端，所述S7的源极与S8的栅极连接且为所述二次桥臂H2的负极输出端。

上述的质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，所述开关管S9和开关管S10均采用功率Mosfet。

本发明还公开了一种采用上述质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器进行质子交换膜甲醇重整燃料电池发电直流变换的方法，其能够将甲醇重整燃料电池发电软电特性变换为高压、恒压输出，满足甲醇重整燃料电池发电宽电压输出特性以及负载侧恒压需求，包括以下步骤：

步骤S1、对所述前级DAB电路采用双重移相控制，其中，不仅一次桥臂H1和二次桥臂H2间存在移相比，而且在一次桥臂H1和二次桥臂H2内均增加了桥内移相比；对所述后级Boost电路中的开关管S10采用同步整流；

步骤S2、所述S2、S3开通，此时变压器等效漏感L的电流小于0，高频变压器T的一次侧电流通过S2、S3形成回路，高频变压器T的二次侧电流从与S6并联的二极管D6、与S7并联的二极管D7流过；所述S1、S4开通，S2断开，由于此时S3仍然导通，高频变压器T的一次侧电流将流过与S1并联的D1、S3，使得一次桥臂H1的输出电压是0，与S6并联的二极管D6、与S7并联的二极管D7有电流流过，变压器等效漏感L两端电压是nV

步骤S3、所述S3断开，S4闭合，此时变压器等效漏感L的电流依旧小于0，高频变压器T的一次侧电流通过S2、S3形成回路，电流流经二极管与S1并联的D1、与S4并联的D4，高频变压器T的二次侧电流通路保持不变；此时高频变压器T的一次侧输出电压是V

步骤S4、高频变压器T的一次侧电流经过S1、S4产生通路，变压器等效漏感L的电流由负变正，高频变压器T的二次侧电流流过S6、S7形成通路，变压器等效漏感L两端电压是V

步骤S5、S6关断，开通S5，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流仍经S1、S4形成回路，高频变压器T的一次侧电压V

步骤S6、S7断开，S8导通，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流仍经S1、S4形成回路，高频变压器T的二次侧因为S7断开，电流流经与S5并联的D5、D8，变压器等效漏感L两端电压是V

步骤S7、S1断开，导通S2，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流通过S4和与S2并联的D2，使得一次桥臂H1的输出电压是0，高频变压器T的二次侧电流回路依然不变，t时刻流过变压器等效漏感L的电流i

步骤S8、S4断开，导通S3，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流从S2并联的D2和与S3并联的D3流过，一次桥臂H1的输出电压是-V

步骤S9、变压器等效漏感L的电流由大于0变成小于0，高频变压器T的一次侧电流流经S2、S3形成电流通路，高频变压器T的二次侧电流从S5、S8流过，高频变压器T的二次侧状态产生变化，高频变压器T两端输出电压保持不变，变压器等效漏感L两端电压是-V

步骤S10、S5断开，导通S6，S8导通状态不变，高频变压器T的二次侧电流经过S8和与S6并联的D6形成通路，高频变压器T的二次侧输出电压是0，而高频变压器T的一次侧维持不变，t时刻流过变压器等效漏感L的电流i

步骤S11、S8断开，导通S7,高频变压器T的一次侧电流回路不变，变压器等效漏感L的电流小于零，高频变压器T的二次侧电流流经S6并联的D6、S7并联的D7形成通路，高频变压器T的一次侧输出电压是-V

步骤S12、S10导通，变压器等效漏感L上的电流小于0，当S10断开，S9接收导通信号，但因为变压器等效漏感L上的电流无法突变，电流只能通过S9并联的D9来续流，此过程中能量由Vout侧传递至Vs1侧，S9关断时，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S13、S9维持导通状态，变压器等效漏感L上的电流过0之后反向上升，从负值变成正值，同时变压器等效漏感L上的电流从S9并联的D9变换至从S9流通，能量由Vs1侧传输至Vout侧，S9实现ZVS导通，而S9并联的D9实现ZCS关断，在到达占空比D时，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S14、S10接收驱动信号，S9接受关断信号，因为变压器等效漏感L上的电流大于0，电流从S9转换至由S10并联的D10流通，此过程中能量由Vs1侧传输至Vout侧，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S15、S10维持原先状态，电流从S10并联的D10转换至由S10流通，S10实现ZVS导通，S10并联的D10实现ZCS关断，能量由Vout侧传输至Vs1侧，变压器等效漏感L上的电流i

上述的方法，步骤S1中所述一次桥臂H1内的桥内移相比与二次桥臂H2内的桥内移相比一致。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出一种DAB+boost两级式甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，采用两级式结构，将DAB与Boost变换器两者的优点融合到一起，可以兼顾电气隔离、高升压比、降低电流纹波等特性；适配甲醇重整燃料电池的输出特性，又能满足直流负载侧高压，功率可控需求，从而能够实现甲醇重整燃料电池发电系统的安全稳定运行。

2、本发明在考虑变压器变比过大设计带来的问题时，通过调整DAB的变压器参数及移相角度，使DAB工作在匹配工作状态，实现第一级的升压，再通过Boost变换器实现第二级的升压，拓宽了输入电压的范围，实现了高升压比，能够将甲醇重整燃料电池发电软电特性变换为高压、恒压输出，满足甲醇重整燃料电池发电宽电压输出特性以及负载侧恒压需求，适用于不同电压等级的甲醇重整燃料电池发电场景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器的电路原理图；

图2为前级DAB电路驱动信号的时序图；

图3为后级Boost电路驱动信号的时序图；

图4为前级DAB电路的工作模态一示意图；

图5为前级DAB电路的工作模态二示意图；

图6为前级DAB电路的工作模态三示意图；

图7为前级DAB电路的工作模态四示意图；

图8为前级DAB电路的工作模态五示意图；

图9为前级DAB电路的工作模态六示意图；

图10为前级DAB电路的工作模态七示意图；

图11为前级DAB电路的工作模态八示意图；

图12为前级DAB电路的工作模态九示意图；

图13为前级DAB电路的工作模态十示意图；

图14为后级Boost电路的工作模态一示意图；

图15为后级Boost电路的工作模态二示意图；

图16为后级Boost电路的工作模态三示意图；

图17为后级Boost电路的工作模态四示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的一种质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器，包括前级DAB(Dual Active Bridge，双有源桥式)电路和输入与前级DAB电路的输出直接连接的后级Boost电路；

所述前级DAB电路包括输入滤波电容C1、输出滤波电容C2、高频变压器T、变压器等效漏感L、一次桥臂H1和二次桥臂H2，所述甲醇重整燃料电池(RMFC)与输入滤波电容C1并联，所述一次桥臂H1的正极输入端与甲醇重整燃料电池(RMFC)的正极连接，所述一次桥臂H1的负极输入端与甲醇重整燃料电池(RMFC)的负极连接，所述变压器等效漏感L的一端与一次桥臂H1的正极输出端连接，所述变压器等效漏感L的另一端与高频变压器T的一次侧一端连接，所述高频变压器T的一次侧另一端与一次桥臂H1的负极输出端连接；所述二次桥臂H2的正极输出端与高频变压器T的二次侧一端连接，所述二次桥臂H2的负极输出端与高频变压器T的二次侧另一端连接，所述二次桥臂H2的正极输入端与输出滤波电容C2的一端连接，且与所述后级Boost电路的正极输入端连接；所述二次桥臂H2的负极输入端与输出滤波电容C2的另一端连接，且与所述后级Boost电路的负极输入端连接；

所述后级Boost电路包括电感L1、电容C3、开关管S9和开关管S10，所述电感L1的一端为所述后级Boost电路的正极输入端，所述电感L1的另一端与开关管S9的栅极和开关管S10的栅极连接，所述开关管S9的源极与电容C3的一端连接且为所述后级Boost电路的负极输出端，所述开关管S10的源极与电容C3的另一端连接且为所述后级Boost电路的正极输出端，所述电容C3的电压为输出电压Vout。

本发明的将前级DAB电路的输出与后级Boost电路的输入直接相连，能够整合两种结构的优势，适配甲醇重整燃料电池的发电特性。

本实施例中，所述一次桥臂H1包括四个功率Mosfet，分别为S1、S2、S3、S4，所述S1的栅极与S3的栅极连接且为所述一次桥臂H1的正极输入端，所述S2的源极与S4的源极连接且为所述一次桥臂H1的负极输入端，所述S1的源极与S2的栅极连接(图1中A点)且为所述一次桥臂H1的正极输出端，所述S3的源极与S4的栅极连接(图1中B点)且为所述一次桥臂H1的负极输出端。

本实施例中，所述二次桥臂H2包括四个功率Mosfet，分别为S5、S6、S7、S8，所述S5的栅极与S7的栅极连接且为所述二次桥臂H2的正极输入端，所述S6的源极与S8的源极连接且为所述二次桥臂H2的负极输入端，所述S5的源极与S6的栅极连接(图1中C点)且为所述二次桥臂H2的正极输出端，所述S7的源极与S8的栅极连接(图1中D点)且为所述二次桥臂H2的负极输出端。

本实施例中，所述开关管S9和开关管S10均采用功率Mosfet。

实施例2

本实施例的采用实施例1中质子交换膜甲醇重整燃料电池发电用直流变换器进行质子交换膜甲醇重整燃料电池发电直流变换的方法，包括以下步骤：

步骤S1、对所述前级DAB电路采用双重移相控制(Dual Phase Shift,DPS)，其中，所述前级DAB电路驱动信号的时序图如图2所示；不仅一次桥臂H1和二次桥臂H2间存在移相比，图2中表示为Db，而且在一次桥臂H1和二次桥臂H2内均增加了桥内移相比；对所述后级Boost电路中的开关管S10采用同步整流；所述后级Boost电路驱动信号的时序图如图3所示；所述后级Boost电路的器件数量较少且体积较小，工作效率较高，利用开关管S9和开关管S10的导通和关断能够使能量得到传递，且将传统的二极管改为功率Mosfet，应用于甲醇重整燃料电池发电系统，能够更好的满足现在高电压、大功率等场景需求；

本实施例中，步骤S1中所述一次桥臂H1内的桥内移相比与二次桥臂H2内的桥内移相比一致，图2中表示为Db。

步骤S2、所述前级DAB电路的工作模态一如图4所示，所述S2、S3开通，此时变压器等效漏感L的电流小于0，高频变压器T的一次侧电流通过S2、S3形成回路，高频变压器T的二次侧电流从与S6并联的二极管D6、与S7并联的二极管D7流过；所述S1、S4开通，S2断开，由于此时S3仍然导通，高频变压器T的一次侧电流将流过与S1并联的D1、S3，使得一次桥臂H1的输出电压是0，与S6并联的二极管D6、与S7并联的二极管D7有电流流过，变压器等效漏感L两端电压是nV

步骤S3、所述前级DAB电路的工作模态二如图5所示，所述S3断开，S4闭合，此时变压器等效漏感L的电流依旧小于0，高频变压器T的一次侧电流通过S2、S3形成回路，电流流经二极管与S1并联的D1、与S4并联的D4，高频变压器T的二次侧电流通路保持不变；此时高频变压器T的一次侧(原边)输出电压是V

步骤S4、所述前级DAB电路的工作模态三如图6所示，高频变压器T的一次侧电流经过S1、S4产生通路，变压器等效漏感L的电流由负变正，高频变压器T的二次侧电流流过S6、S7形成通路，尽管此时一次侧电流回路和二次侧电流回路已经变化，但高频变压器T两端电压都没有改变，变压器等效漏感L两端电压是V

步骤S5、所述前级DAB电路的工作模态四如图7所示，S6关断，开通S5，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流仍经S1、S4形成回路，高频变压器T的一次侧电压V

步骤S6、所述前级DAB电路的工作模态五如图8所示，S7断开，S8导通，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流仍经S1、S4形成回路，高频变压器T的二次侧因为S7断开，电流流经与S5并联的D5、D8，因为是正向传输，电流没有下降，变压器等效漏感L两端电压是V

步骤S7、所述前级DAB电路的工作模态六如图9所示，S1断开，导通S2，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流通过S4和与S2并联的D2，使得一次桥臂H1的输出电压是0，高频变压器T的二次侧电流回路依然不变，t时刻流过变压器等效漏感L的电流i

步骤S8、所述前级DAB电路的工作模态七如图10所示，S4断开，导通S3，此时变压器等效漏感L的电流大于0，高频变压器T的一次侧电流从S2并联的D2和与S3并联的D3流过，一次桥臂H1的输出电压是-V

步骤S9、所述前级DAB电路的工作模态八如图11所示，变压器等效漏感L的电流由大于0变成小于0，高频变压器T的一次侧电流流经S2、S3形成电流通路，高频变压器T的二次侧电流从S5、S8流过，高频变压器T的二次侧状态产生变化，高频变压器T两端输出电压保持不变，变压器等效漏感L两端电压是-V

步骤S10、所述前级DAB电路的工作模态九如图12所示，S5断开，导通S6，S8导通状态不变，高频变压器T的二次侧电流经过S8和与S6并联的D6形成通路，高频变压器T的二次侧输出电压是0，而高频变压器T的一次侧维持不变，t时刻流过变压器等效漏感L的电流i

步骤S11、所述前级DAB电路的工作模态十如图13所示，S8断开，导通S7,高频变压器T的一次侧电流回路不变，变压器等效漏感L的电流小于零，高频变压器T的二次侧电流流经S6并联的D6、S7并联的D7形成通路，高频变压器T的一次侧输出电压是-V

步骤S12、所述后级Boost电路的工作模态一如图14所示，S10导通，变压器等效漏感L上的电流小于0，当S10断开，S9接收导通信号，但因为变压器等效漏感L上的电流无法突变，电流只能通过S9并联的D9来续流，此过程中能量由Vout侧传递至Vs1侧，S9关断时，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S13、所述后级Boost电路的工作模态二如图15所示，S9维持导通状态，变压器等效漏感L上的电流过0之后反向上升，从负值变成正值，同时变压器等效漏感L上的电流从S9并联的D9变换至从S9流通，能量由Vs1侧传输至Vout侧，S9实现ZVS导通，而S9并联的D9实现ZCS关断，在到达占空比D时，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S14、所述后级Boost电路的工作模态三如图16所示，S10接收驱动信号，S9接受关断信号，因为变压器等效漏感L上的电流大于0，电流从S9转换至由S10并联的D10流通，此过程中能量由Vs1侧传输至Vout侧，变压器等效漏感L上的电流i

步骤S15、所述后级Boost电路的工作模态四如图17所示，S10维持原先状态，电流从S10并联的D10转换至由S10流通，S10实现ZVS导通，S10并联的D10实现ZCS关断，能量由Vout侧传输至Vs1侧，变压器等效漏感L上的电流i

综上所述，本发明将DAB与Boost变换器两者的优点融合到一起，能够实现输入输出之间较高的升压比要求，并满足低压与高压侧之间电气隔离要求和具有高效功率传输特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。