氫燃料電池轎車用降壓DC—DC變換器設(shè)計(jì)研究

溫延兵

【摘 要】基于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）轎車上燃料電池電壓順應(yīng)負(fù)載工作電壓變換的原理，設(shè)計(jì)了一種針對質(zhì)子交換膜燃料電池使用的降壓式DC-DC變換器，其主電路采用buck電路，控制電路采用開關(guān)控制器控制，通過Matlab/similink仿真對變換器的穩(wěn)定性和抗干擾性能進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的降壓DC-DC變換器具有較高的調(diào)壓、穩(wěn)壓以及抗干擾性能。

【關(guān)鍵詞】PEMFC；DC-DC； Buck；建模仿真

【Abstract】Based on the principle of fuel cell voltage changed with the work load voltage in the proton exchange membrane fuel cell（PEMFC） vehicle， A Buck DC-DC converter used by PEMFC were designed. The Buck DC-DC converter uses switch controller to control. The stability and anti—jamming performance of the converter were tested through the Matlab/simulink simulation. The results show that the designed Buck DC-DC converters can regulate voltage and maintain voltage stability very good.

【Key words】PEMFC； DC-DC； Buck； Modeling and simulation

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池是利用氫氣作為燃料，空氣作為氧化劑，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能以及生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車以其效率高、零污染、氫氣來源廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)，被視為人類未來最理想的汽車。在燃料電池轎車的實(shí)際應(yīng)用中，一方面考慮到目前燃料電池價(jià)格較高，而單節(jié)燃料電池電壓較低（0.7V左右），且工作電壓大小因負(fù)載而定，因此有必要將燃料電池輸出電壓與負(fù)載正常工作電壓之間進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換。另一方面，考慮到在燃料電池氫氣和空氣供給過程中出現(xiàn)的一些擾動(dòng)會(huì)使燃料電池堆的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，從而母線電壓也會(huì)產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)，如果在母線和用電器之間沒有抗擾動(dòng)裝置的話，燃料電池轎車上用電器的工作電壓可能處于過壓或者低壓狀態(tài)，長時(shí)間運(yùn)行的話，會(huì)影響所配設(shè)備的壽命，這就要求所配降壓DC-DC具有較好的抗干擾性能，當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，輸出電壓能夠盡快恢復(fù)平衡。

目前，降壓電路有兩種類型：隔離類型和非隔離類型。對于隔離類型，電路采用高頻逆變+變壓器+整流濾波方案，其電路較復(fù)雜，體積大，重量大，效率低下，故在燃料電池電動(dòng)轎車上一般不采用[1]。目前，雙向DC-DC的研究很多，武紅玉[2]根據(jù)電動(dòng)汽車性能設(shè)計(jì)的要求，提出一種全橋串聯(lián)諧振雙向DC-DC變換器，雖然能夠減小開關(guān)損耗，但是相比半橋式DC-DC變換器，其體積和重量都要偏大，變換器的效率也要偏低。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于非隔離類型DC-DC變換器進(jìn)行了深入的研究，Huang B等[3]設(shè)計(jì)了非隔離DC-DC來實(shí)現(xiàn)燃料電池電壓轉(zhuǎn)換，這樣的設(shè)計(jì)能夠很好的轉(zhuǎn)換電壓到目標(biāo)值，但造成了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，且響應(yīng)時(shí)間勢必受到影響。對于控制方法，有傳統(tǒng)的PID控制[4]，控制算法簡單較容易實(shí)現(xiàn)，往往被廣泛使用，但其參數(shù)的確定多依賴工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試時(shí)間較長。也有研究人員采用智能控制算法，例如模糊控制和智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，需要完備的控制對象的專家經(jīng)驗(yàn)[5]，實(shí)現(xiàn)手段較復(fù)雜。

從解決質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性不穩(wěn)定入手，并考慮到DC-DC變換器簡單可靠、小型化的研究方向，本文針對車用質(zhì)子膜燃料電池堆設(shè)計(jì)了一種新型降壓式DC-DC變換器，其主電路采用Buck降壓電路，控制電路采用開關(guān)控制器。

1 降壓DC-DC變換器

由于本文所設(shè)計(jì)的燃料電池轎車上直流總線電壓被設(shè)計(jì)為375V，而轎車上的各個(gè)電器都是直流電供電，且其工作電壓都要低于直流總線電壓，因此需要配備降壓DC-DC變換器。本文所設(shè)計(jì)的降壓DC-DC變換器主電路采用非隔離型的Buck電路，其控制電路采用開關(guān)控制器控制。

1.1 降壓DC-DC變換器主電路

1.2 降壓DC-DC變換器控制電路

本文設(shè)計(jì)的降壓DC-DC變換器的控制器為開關(guān)控制器，其控制原理是控制器中的控制開關(guān)根據(jù)反饋電壓值與設(shè)定輸出電壓值的比較大小來決定控制開關(guān)的開閉，進(jìn)而決定Buck主電路是降壓還是保持電壓不變，直到輸出電壓達(dá)到設(shè)定電壓為止。本文設(shè)定輸出電壓值為12V，當(dāng)燃料電池輸出電壓高于各電器需求電壓時(shí)，DC-DC變換器控制器開始起作用，當(dāng)變換器輸出電壓高于設(shè)定輸出電壓時(shí)，開關(guān)控制器將0信號(hào)輸入MOSFET場效應(yīng)晶體管控制端，Buck主電路開始降壓；當(dāng)變換器輸出電壓低于設(shè)定輸出電壓時(shí)，開關(guān)控制器將1信號(hào)輸入MOSFET場效應(yīng)晶體管控制端，Buck主電路將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，開始穩(wěn)壓，如此往復(fù)，通過控制MOSFET場效應(yīng)晶體管的通斷來實(shí)現(xiàn)變換器降壓和穩(wěn)壓的作用。如圖2所示為降壓變換控制器原理圖。

2 降壓DC-DC變換器效果檢驗(yàn)

當(dāng)輸入端輸入直流電壓375V時(shí)，降壓變換器降壓效果如圖3所示。圖4為降壓變換器輸出電壓穩(wěn)定后局部放大圖。

由圖3可以看出，降壓變換器的輸出電壓在3×10-4s時(shí)由375V直流電壓降為12V穩(wěn)態(tài)電壓，輸出響應(yīng)較快，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓幾乎沒有波動(dòng)。圖4為降壓變換器在8×10-4s左右穩(wěn)態(tài)輸出電壓的局部放大圖，從圖中可以看出，輸出電壓值基本上控制在11.99996～12.00012V之間，波動(dòng)幅度甚微，具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，由此說明該開關(guān)控制器能夠很好的起到降壓的作用。

為了檢驗(yàn)該降壓變換器的抗干擾性能，將圖2主電路中的375V直流電壓改為可變step階躍信號(hào)，信號(hào)參數(shù)設(shè)定為：初始值375V，最終值250V，step時(shí)間為0.0007s。負(fù)載擾動(dòng)下降壓變換器輸出電壓響應(yīng)情況如圖5所示。

由圖5可以看出，在7×10-4s時(shí)輸出電壓因負(fù)載干擾發(fā)生變化，但電壓變化幅度很小，小于0.0001V，且經(jīng)過2×10-7s后又重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由此可以說明該升壓DC-DC變換器具有很好的抗干擾能力。從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的降壓DC-DC變換器能夠很好的滿足燃料電池轎車上燃料電池堆電壓降壓和穩(wěn)壓的要求。

3 結(jié)論

為了解決質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓無法適應(yīng)轎車上各用電器需求電壓問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)種以Buck電路為主電路、開關(guān)控制器為控制電路的新型DC-DC降壓變換器，通過仿真發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的變換器響應(yīng)性能好，精度較高。此外，對所設(shè)計(jì)變換器的抗干擾性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的變換器具有很好的抗干擾性能。本文為燃料電池轎車上小型化、輕型化、性能好的DC-DC的設(shè)計(jì)提供了很好的數(shù)據(jù)參考，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，降低了實(shí)驗(yàn)成本，為質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車的設(shè)計(jì)提供了很好的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈燁燁.燃料電池DC/DC交換器建模與控制[D].浙江：浙江大學(xué)，2014.

[2]武紅玉.雙向DC/DC變換器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，557（03）：58-60.

[3]Huang B， Shahin A， Martin J， et al. High Voltage Ratio Non-isolated DC-DC Converter for Fuel Cell Power Source Applications[C]. Rhodes： 2008.

[4]吳宇，皇普宜耿，張琳，等.大擾動(dòng)Buck-Boost變換器的魯棒高階滑?？刂芠J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（07）：1740-1748.

[5]Martinez-Salamero L， Garcia G， Lahore O M C. Start-up Control and Voltage Regulation in a Boost Converter under Sliding-mode Operation[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2013，60（10）：4637-4649.

[6]沈燁燁.燃料電池DC/DC交換器建模與控制[D].浙江：浙江大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：湯靜]