具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述燃料电池增程式混合电动汽车供电系统，包括三端口DC/DC变换器、动力电池、电池加热膜Uo2、燃料电池Uin和变换器控制电路；

三端口DC/DC变换器的三个端口分别连接电池加热膜Uo2的供电端、燃料电池的电源端和驱动电机控制器Uo1的供电端；

变换器控制电路用于控制三端口DC/DC变换器中开关管的开关，使三端口DC/DC变换器处于不同的工作模式；

所述电池加热膜Uo2设置在动力电池的外侧，用于为动力电池加热；

所述三端口DC/DC变换器包括：Buck-Boost电路、半桥结构和附加电路；

Buck-Boost电路包括：二极管D1、开关管S1、电感L、电容C1；

半桥结构包括：开关管S2、开关管S3；

附加电路包括：开关管S4、二极管D2和电容C2；

开关管S1的漏极连接燃料电池Uin的正极，开关管S1的源极连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接开关管S3的源极，开关管S3的漏极还通过电容C2连接开关管S2的漏极，所述电容C2的两端分别与电池加热膜Uo2的两个供电端连接；

开关管S2的源极还连接电感L的一端，电感L的另一端连接燃料电池Uin的负极；

开关管S3的漏极还连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接开关管S4的源极，开关管S4的漏极连接电感L的另一端；

开关管S4的源极还连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接开关管S4的漏极；

电容C1的两端分别连接电机控制的两个供电端。

进一步地，本实施方式中，结合图3至图8进行说明；三端口DC/DC变换器包括：单输入单输出模式和单输入双输出模式。

进一步地，本实施方式中，三端口DC/DC变换器单输入单输出模式时，燃料电池分别单独为电池加热膜Uo2或驱动电机控制器Uo1供电；

单输入单输出模式a，燃料电池单独为电池加热膜供电；

开关管S1受PWM信号控制，开关管S2、开关管S4保持导通，开关管S3保持关断；

如图3所示，t_on状态：开关管S1处于导通状态，等效电路包括：开关管S1、开关管S2、电感L和电容C2；

开关管S1的漏极连接燃料电池Uin的正极，开关管S1的源极连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电感L的一端，电感L的另一端连接燃料电池Uin的负极；

开关管S1的漏极还连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接电池加热膜Uo2的一个供电端，所述电池加热膜Uo2的另一个供电端连接开关管S1的源极；

如图4所示，t_off状态：开关管S1处于关断状态，等效电路包括：开关管S2、电容C2、电感L、开关管S4和二极管D2；

开关管S2的漏极连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接二极管D2阴极，二极管D2阳极连接开关管S4的源极，开关管S4的漏极连接电感L的一端，电感L的另一端连接开关管S2的源极；电容C2的两端还分别与电池加热膜Uo2的两个供电端连接；

单输入单输出模式b，燃料电池单独为驱动电机控制器Uo1供电；

开关管S1、开关管S2、开关管S3受PWM信号控制，开关管S4保持关断；

如图5所示，t_on状态：开关管S1、开关管S2处于导通状态，开关管S3处于关断状态，等效电路包括：开关管S1、开关管S2、电感L和电容C1；

开关管S1的漏极连接燃料电池Uin的正极，开关管S1的源极连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电感L的一端，电感L的另一端连接燃料电池Uin的负极；

电容C1的两端分别连接电机控制的两个供电端；

结合图6所示，t_off状态：开关管S1、开关管S2处于关断状态，开关管S3处于导通状态，等效电路包括：开关管S3、电感L、电容C1、二极管D1和二极管D2；

开关管S3的源极连接电感L的一端，电感L的另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接开关管S3的漏极，电容C1的两端分别连接驱动电机控制器Uo1的两个供电端。

进一步地，本实施方式中，三端口DC/DC变换器单输入双输出模式时，燃料电池分别单独为电池加热膜Uo2和驱动电机控制器Uo1同时供电；

开关管S1受PWM信号控制，开关管S2导通，开关管S3、开关管S4关断；

如图7所示，t_on状态，开关管S1处于导通状态，等效电路包括：开关管S1、开关管S2、电感L、电容C2和电容C1；

开关管S1的漏极连接燃料电池Uin的正极，开关管S1的源极连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电感L的一端，电感L的另一端连接燃料电池Uin的负极；

开关管S2的漏极连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接电池加热膜Uo2的一个供电端，所述电池加热膜Uo2的另一个供电端连接电容C2的一端；

电容C1的两端分别连接驱动电机控制器Uo1的两个供电端；

如图8所示，t_off状态，开关管S1处于关断状态，等效电路包括：开关管S2、电感L、电容C2、二极管D1、二极管D2和电容C1；

开关管S2的漏极连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L的一端，电感L的另一端连接开关管S2的源极；

电容C2的两端分别连接电池加热膜Uo2的两个供电端；

电容C1的两端分别连接电机控制的两个供电端。

进一步地，本实施方式中，结合图9对本实施方式说明，变换器控制电路包括保护电路201、DSP系统202、电压传感器组203、电流传感器组204和温度传感器205；

电压传感器组203包括多个电压传感器，分别采集燃料电池Uin的输出电压，动力电池的输出电压和电池加热膜Uo2的输入电压；

电流传感器组204包括多个电流传感器，分别采集燃料电池Uin的输出电流，动力电池的输出电流和电池加热膜Uo2的输入电流；

温度传感器205用于采集动力电池的表面温度；并将采集的温度信号给DSP系统202；

DSP系统202的目标电压信号输入端输入目标电压；

DSP系统202的开关管驱动信号输出端经过保护电路201向三端口DC/DC变换器的信号输入端发送开关管驱动信号；

DSP系统202利用动力电池的表面温度，判断动力电池是否需要进行加热，若需要加热，计算电池加热膜所需功率，并通过整车控制器获取整车需求功率；

DSP系统202还在汽车未启动，动力电池需要加热时，输出PWM控制信号使三端口DC/DC变换器处于单输入单输出模式a；

DSP系统202还在汽车正常行驶，动力电池不需要加热时，输出PWM控制信号使三端口DC/DC变换器处于单输入单输出模式b；

DSP系统202还在汽车行驶途中降低至警戒温度时，输出PWM控制信号使三端口DC/DC变换器处于单输入双输出模式；

DSP系统202还根据整车控制器获取整车需求功率、电池加热膜所需功率和动力电池的输出功率，实时调整PWM信号，调整燃料电池的输出功率。

本发明所述燃料电池增程式电动汽车实现低温环境运行的DC/DC变换器结构及运行方法，其特有的多端口可以将燃料电池、电池加热膜端口、以及驱动电机控制器Uo1输出端口整合成为一个整体，能够以较为紧凑的变换器结构，在燃料电池为驱动电机控制器Uo1提供正常工作功率的同时，实现动力电池的低温预热与在低温行驶环境下维持动力电池温度的功能。同时，本专利中的拓扑结构具有单输入双输出以及单输入单输出两种工作模式；

单输入单输出模式：当燃料电池增程式电动汽车启动前预热和正常运行时工作在此模式下，此时燃料电池分别单独为动力电池与驱动电机控制器Uo1供电：

a.燃料电池仅需为电池加热膜提供所需功率，实现燃料电池增程式电动汽车启动前的低温预热；

此模式下开关管S1受PWM信号控制，开关管S2、开关管S4保持导通，开关管S3保持关断。

当开关管S1处于导通状态即ton时，电路的等效电路和能量流动图如附图3所示，此时燃料电池输出端口Uin经过开关管S1、开关管S2为电感L充电，电感电流线性增加，同时电容C1放电并为电池加热膜供电，维持电池加热膜电压电流。

当开关管S1关断状态即toff时，电路的等效电路和能量流动图如附图4所示，此时电感L经过开关管S2、开关管S4、二极管D2为电池加热膜与电容C1供电，电感电流线性减少。

b.燃料电池仅需为驱动电机控制器Uo1提供所需功率，预热完成后燃料电池增程式电动汽车的正常行驶过程；

此模式下开关管S1、开关管S2、开关管S3受PWM信号控制，开关管S4保持关断。

当开关管S1、开关管S2处于导通状态，开关管S3处于关断状态即ton时，电路的等效电路和能量流动图如附图5所示，此时燃料电池输出端口Uin经过开关管S1和开关管S2为电感L充电，电感电流线性增加，同时电容C1为驱动电机控制器Uo1供电，维持驱动电机控制器Uo1电压电流。

当开关管S1、开关管S2处于关断状态，开关管S3处于导通状态即toff时，电路的等效电路和能量流动图如附图6所示，此时电感L经过开关管S3、二极管D1、二极管D2为电容C2及驱动电机供电，电感电流线性减少。

单输入双输出模式：当燃料电池增程式电动汽车在低温环境下正常行驶时，由于为了保持动力电池的正常工作性能，需要对动力电池的温度进行实时检测，当动力电池温度过低时燃料电池需为驱动电机控制器Uo1提供功率的同时，为电池加热膜提供功率，此模式下开关管S1受PWM信号控制，开关管S2导通，开关管S3、开关管S4关断；

当开关管S1处于导通状态即ton时,电路的等效电路和能量流动图如附图7所示，此时燃料电池输出端口Uin经过开关管S1和开关管S2为电感L充电，电感电流线性增加，同时电容C1、C2分别为驱动电机控制器Uo1及电池加热膜供电。

当开关管S1处于关断状态即toff时,电路的等效电路和能量流动图如附图8所示，此时电感L经二级管D1、二极管D2为电容C1和驱动电机控制器Uo1供电的同时，也为电池加热膜Uo2及其并联电容C2供电；

本发明所述需求功率采用公式P＝UI计算，从整车控制器得到整车需求功率，从温度传感器得到电池加热膜所需功率；

当燃料电池增程式电动汽车启动前对动力电池进行低温预热时DSP系统输出PWM控制信号控制相应开关管的导通与关断，使得系统工作在单输入单输出模式a；

对于单输入单输出模式a，燃料电池仅需要为加热膜提供所需功率，其功率控制原理为，根据温度传感器检测到的动力电池的温度与热量的数学关系确定所需加热膜提供的热能，而加热膜的热能来源于三端口变换器中燃料电池为其提供的电能(W＝pt)，即加热膜所需的在一定功率等级在工作一段时间所消耗的能量，加热膜可近似等效为一个恒定负载；其具体的控制方式为，在增程式燃料电池汽车启动前如果温度传感器检测到动力电池的温度过低，就会通过DSP系统，使三端口DC/DC变换器工作于单输入单输出模式，此时，DSP系统发出的驱动信号经过保护电路控制开关管S2、开关管S4保持导通，开关管S3保持关断，并且根据电压、电流传感器采集到的Uo2端口的电压电流信号进行闭环PI控制开关管S1的PWM驱动信号，以实现加热膜输出端口Uo2的恒定功率输出，并持续一定时间，在温度传感器检测到动力电池的温度反馈信号达到其正常工作温度时，通过DSP系统控制开关管关断，结束单输入单输出模式a。

当燃料电池增程式电动汽车正常行驶时DSP系统202输出PWM控制信号控制相应开关管的导通与关断，使得系统工作在单输入单输出模式b；

对于单输入单输出模式b,燃料电池仅需为电机控制器提供所需功率，从整车控制器得到增程式燃料电池汽车在不同运行情况下所需要的功率等级，此时，DSP系统发出的驱动信号经过保护电路控制开关管S4保持关断，然后根据电压、电流传感器获取的电机控制器端口Uo2端口的电压、电流信号进行闭环PI控制开关管S1、开关管S2、开关管S4的PWM驱动信号，以实现电机控制器输出端口Uo1的特定功率输出，并且随着增程式燃料电池汽车不同工况下所需功率的不同，实时的进行Uo2端口的电压、电流的闭环调整，以实现维持特定功率输出的目的，驱动电机控制器端口可近似等效为可变电阻负载，在增程式燃料电池汽车停止运行或者动力电池温度过低时，通过DSP程序退出此功率控制方式。

当动力电池温度在燃料电池混合动力汽车行驶途中降低至警戒温度时DSP(202)系统输出PWM控制信号控制相应开关管的导通与关断，使得系统工作在单输入双输出模式；

对于单输入双输出模式，燃料电池需为电机控制器提供功率的同时，为加热膜提供功率，此时燃料电池所发出的功率为电机控制器与加热膜所需功率的和，此时DSP系统发出的驱动信号经过保护电路控制开关管S2导通，开关管S3、开关管S4关断，并且根据由电压、电流传感器传入DSP的电机控制器端口Uo1两端的电压、电流信号以及加热膜端口Uo2两端的电压、电流信号进行闭环PI控制开关管S1的PWM驱动信号，并在此工作模式下持续一小段时间，待温度传感器检测到的动力电池温度达到正常工作温度时，通过DSP程序退出此功率控制模式，进入到单输入单输出模式b,直至增程式燃料电池汽车停止运行。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。