燃料電池汽車用新型交錯式DC/DC 系統(tǒng)的研究

李亞涵 孫 飛

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 概述

因具有良好的環(huán)保特性及運行性能，燃料電池被廣泛應(yīng)用于新能源汽車行業(yè)，并且已經(jīng)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，然而在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時，燃料電池的缺陷日益突顯，如輸入輸出紋波大等問題引發(fā)了廣泛關(guān)注。為了解決這樣的問題，許多學者在DC/DC 拓撲結(jié)構(gòu)上進行了研究。

目前，國內(nèi)已經(jīng)有多種燃料電池DC/DC 系統(tǒng)，文獻[3]中提到了四相交錯式Boost 升壓拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲采用多相交替導通策略，低功率需求時，部分相導通，降低了功率損失，提高了轉(zhuǎn)換效率，但該拓撲中器件總數(shù)過多，導致其體積大、功率密度低，此外，該拓撲在進行控制時采用四相交錯技術(shù)，控制難度大；文獻[4]中提到了雙Boost 升壓拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲中開關(guān)器件較少，且兩個開關(guān)器件只需要相同的PWM 驅(qū)動即可，但該拓撲升壓等級較低，且輸入電流紋波存在尖峰，會減少質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命；文獻[5]中提到了兩級式升壓拓撲結(jié)構(gòu)，前級為兩相交錯式Boost 結(jié)構(gòu)，后級為自耦全橋升壓結(jié)構(gòu)，該拓撲在一定程度上可以減小輸入電流的低頻紋波含量，提高紋波頻率，并且可以滿足較大升壓比，但也存在開關(guān)器件多，功率損耗多的問題，且拓撲中含有變壓器，結(jié)構(gòu)復雜，實現(xiàn)難度較大。

本文以提高燃料電池車用DC/DC 的性能為目的，提出了一種基于三相交錯式Boost 結(jié)構(gòu)的新型DC/DC 結(jié)構(gòu)，該拓撲在三相交錯式Boost 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了輸入側(cè)濾波電感和π 型緩沖電路，有效抑制了輸入電流紋波和輸出電壓紋波，提高了開關(guān)頻率，通過仿真驗證了拓撲的可行性。

2 電路原理分析

傳統(tǒng)交錯式Boost 的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)交錯式Boost 變換器

本文在傳統(tǒng)交錯式Boost 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了輸入濾波電感和 型緩沖電路，該結(jié)構(gòu)的加入可以最大程度地降低DC/DC系統(tǒng)的輸入輸出紋波。為了防止開關(guān)器件被導通時產(chǎn)生的尖峰電流破壞，本文為開關(guān)器件設(shè)計了RCD 吸收電路，RCD 電路的設(shè)計可以很好的吸收開關(guān)器件導通產(chǎn)生的尖峰電流和電壓，起到保護開關(guān)器件和主電路的作用，同時可以降低系統(tǒng)的有功損耗，提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。增加RCD 吸收電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的Boost 變換器

三相交錯式Boost 拓撲結(jié)構(gòu)其本身的計算和單相Boost 電路類似，為了降低設(shè)計的復雜程度，本文將其簡化為單相Boost電路計算。

由于開關(guān)器件的存在，所以Boost 變換器采用的控制方式是PWM 控制，即電路需要通過控制PWM 的占空比的形式，控制開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，進而控制電路實現(xiàn)升壓的功能。當PWM 的占空比不同時，電路也會工作在不同的狀態(tài)，電路三種狀態(tài)如圖3(a)、(b)、(c)所示。

圖3 Boost 變換器電路的3 個工作狀態(tài)

如圖4 中所示，根據(jù)基爾霍夫定律可得

圖4 Boost 電路在CCM(左)和DCM(右)狀態(tài)時工作波形

當電路正常工作時，如果只出現(xiàn)了狀態(tài)1 和狀態(tài)2，此時，電路工作在CCM 狀態(tài)，如果出現(xiàn)狀態(tài)1 和狀態(tài)2 的同時，出現(xiàn)了狀態(tài)3，那么電路就工作在DCM 狀態(tài)，可以通過調(diào)整電路參數(shù)或者PWM 驅(qū)動信號的占空比，調(diào)整電路工作的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)之間的臨界狀態(tài)為BCM 狀態(tài)。

模態(tài)1：t0～t1

當開關(guān)器件導通時，us=0，由式（1）可知uD=Uo，uL=Ut。在開關(guān)管導通期間，即在ton時間內(nèi)，如圖5 所示，電感電壓等于Ui，且保持不變，電感電流按一定系數(shù)增長。 根據(jù)電感元件的性質(zhì)以及其電壓和電流關(guān)系，可知在ton時間內(nèi)，電感電流的增量為

模態(tài)2：t1～t2

在開關(guān)器件關(guān)斷期間，即在toff時間內(nèi)，在輸入電壓和電感的自感電動勢的作用下，二極管開始導通，所以其兩端電壓uD=0，由式（1）可知us=Uo，uL=Ui-Uo，由于在Boost 電路中Uo>Ui，所以uL>0，電感電流按一定系數(shù)下降。

模態(tài)3：t2～t3

DCM 狀態(tài)時，在t2～t3這段時間內(nèi)，電感電流始終為0，根據(jù)電感電流和電感電壓的關(guān)系可知，電感兩端電壓uL=0，根據(jù)式(1)可得uD=Ui-Uo，us=Ui。

3 仿真分析

為了驗證提出的的拓撲結(jié)構(gòu)的有效性，本文對拓撲進行了仿真實驗，表1 是10.5kW 燃料電池DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)要求。轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)開關(guān)頻率的選取至關(guān)重要，太低的開關(guān)頻率會增加系統(tǒng)的電路的設(shè)計難度，進而增加整個系統(tǒng)的體積，太高的開關(guān)頻率會增加系統(tǒng)的開關(guān)損耗，開關(guān)損耗的增加意味著系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率會下降。考慮到以上原因，最終確定系統(tǒng)開關(guān)頻率為5kHz。

表1 10.5kW 燃料電池DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)要求

表2 仿真DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

當系統(tǒng)工作于CCM 模式，其傳遞函數(shù)為：

此時系統(tǒng)是四階系統(tǒng)，求解其特征方程，可以得到一對具有負實部的共軛負責，所以系統(tǒng)工作于CCM 模式時系統(tǒng)不穩(wěn)定。

當系統(tǒng)工作于DCM 模式，其傳遞函數(shù)為：

此時系統(tǒng)是三階系統(tǒng)，求解其特征方程，不存在共軛負根，所以系統(tǒng)工作于DCM 模式時系統(tǒng)穩(wěn)定。

仿真電壓輸出結(jié)果如圖5 所示，電壓穩(wěn)定輸出473V，紋波電壓為1V，系統(tǒng)紋波系數(shù)為0.2%，符合系統(tǒng)的電壓紋波要求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作無振蕩，有效的延長了燃料電池的使用壽命。

圖5 仿真電壓輸出波形

仿真電流輸出結(jié)果如圖6 所示，輸入電力穩(wěn)定在100V，紋波小于0.2A，抑制紋波的效果非常明顯，符合系統(tǒng)的輸入電流的要求，有效的改善了燃料電池的工作環(huán)境。

圖6 仿真電流輸出波形

以上結(jié)果表明，本文所提出的增加輸入濾波電感和π 型緩沖電路的DC/DC 系統(tǒng)，能夠有效降低輸入電流和輸出電壓的紋波，改善燃料電池的工作環(huán)境，延長燃料電池的壽命。

4 結(jié)論

本文提出了一種可以有效減小輸入電流和輸出電壓紋波的燃料電池汽車用DC/DC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于三相交錯式Boost結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加了輸入濾波電感和π 型緩沖電路，該系統(tǒng)基于非隔離式結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低了設(shè)計難度，減小了整個系統(tǒng)的體積；采用交錯式結(jié)構(gòu)，有效提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率。通過仿真實驗，驗證了增加輸入濾波電感和π 型緩沖電路，可以有效的減小了輸入電流和輸出電壓的紋波。