燃料電池用兩級升壓DC/DC 變換器的研究

郭江波 周京華

（北方工業(yè)大學變頻技術北京市工程研究中心 北京市 100144）

在過去的幾個世紀中，人類過度開采、使用化石能源，威脅著整個社會的可持續(xù)發(fā)展。清潔可再生能源走入人類視線，逐步上升到國家戰(zhàn)略層面。風能、太陽能等新能源存在不連續(xù)性及波動性等問題，導致其應用受限。氫能是一種潔凈的二次能源載體，可以方便轉(zhuǎn)換為如電能、熱能等其他形式的能源，轉(zhuǎn)化效率較高，來源途徑廣泛，沒有地域空間的限制，適合儲存和運輸。

燃料電池利用電化學反應將氫氣的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，是利用氫能的最常用能量轉(zhuǎn)換裝置。它突破了傳統(tǒng)的燃燒方式下卡諾循環(huán)的阻礙，能量轉(zhuǎn)換率高、清潔無污染。因此它將成為一種新興的能源利用裝置，對于大規(guī)模開發(fā)利用氫能源并提升新能源在發(fā)電系統(tǒng)中比重具有重要的戰(zhàn)略價值。燃料電池的反應方式和系統(tǒng)結構的特殊性，使其輸出電壓隨電流增加而減小在寬范圍變化，動態(tài)響應差且壽命易受電流紋波影響。因此為了實現(xiàn)燃料電池的運行穩(wěn)定性及延長其使用壽命，研究DC/DC 變換器具有重要意義。

針對燃料電池電壓寬范圍變化，其在大功率傳輸應用時，輸入與輸出存在較高升壓比且有電氣隔離需求，本文提出了一種兩級升壓DC/DC 變換器拓撲結構，其中前級為雙主動全橋DC/DC 變換器(DAB)，后級為Buck/Boost 變換器。該拓撲綜合了兩種變換器的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的升壓比、低壓和高壓側(cè)的電氣隔離及高效率功率傳輸，同時解決寬范圍電壓輸入導致的難以穩(wěn)壓問題，拓寬了輸入電壓的范圍，能夠更好的應用于燃料電池大功率傳輸且具有高升壓需求的場合。

1 兩級升壓DC/DC變換器建模分析

1.1 DC/DC變換器方案設計

在7.5kW 較大功率傳輸時，DC/DC 變換器直接將PEMFC 電池組40-75V 輸出的低壓轉(zhuǎn)換成375V 的直流高壓，升壓難度大。通過分析，輸入與輸出存在較高升壓比，且DC/DC 變換器應用于較大功率場景有電氣隔離要求，因此僅采用非隔離型DC/DC 變換器無法實現(xiàn)應用需求。DAB 利用軟開關技術電能變換效率高，通過高頻變壓器易于實現(xiàn)升壓變換及電氣隔離需求，且易于模塊化設計，適用于大功率場景。

因此，論文提出一種兩級升壓DC/DC 變換器，前級采用DAB 拓撲結構，后級采用Buck/boost 拓撲結構，其結構如圖1 所示。當輸入電壓寬范圍變化時，雙主動全橋DC/DC 變換器采用移相+單環(huán)控制完成第一級升壓變換，Buck/Boost 變換器采用雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)二次升壓變換并維持輸出電壓的恒定。

圖1： 兩級升壓DC/DC 變換器結構圖

1.2 兩級升壓變換器系統(tǒng)建模

DAB 及Buck/Boost 變換器均為研究成熟的拓撲結構，根據(jù)兩者的數(shù)學模型，可以分別構造其穩(wěn)態(tài)等效電路，如圖2 所示。

圖2： DAB 及Buck/Boost 電路模型圖

其中D 為DAB 的移相比，D為Buck/Boost 的占空比，e=D(1-|D|)/2Lf，n=1-D。由于燃料電池通常工作歐姆極化區(qū)，在對DC/DC 變換器建模時，將PEMFC 近似等效為一個具有內(nèi)阻的電壓源，模擬PEMFC 電壓寬范圍變化對DC/DC 變換器的影響，同時將直流輸出電壓用帶內(nèi)阻的電壓源來代替。

由DAB 和Buck/Boost 變換器的穩(wěn)態(tài)等效電路可以得出兩級升壓DC/DC 變換器的穩(wěn)態(tài)等效模型如圖3 所示，其中V=V，V=KV，C=C，C=C/K，C=C/K，L=KL，R=R，R=KR，K=n:n。

圖3： 兩級升壓變換器電路模型圖

1.3 系統(tǒng)耦合性分析

兩級升壓系統(tǒng)是一個存在耦合的多變量系統(tǒng)。系統(tǒng)存在兩個輸出變量分別為DAB 輸出濾波電容電壓U及直流輸出電壓U，要想實現(xiàn)對該系統(tǒng)的控制，首先要分析其耦合程度。兩級升壓系統(tǒng)的耦合情況，如圖4 所示。

圖4： 兩級升壓系統(tǒng)耦合關系圖

圖5： 兩級升壓變換器系統(tǒng)控制策略

在多變量的復雜系統(tǒng)中，常用相對增益λ來表征系統(tǒng)的耦合性。當 0.8<λ<1.2 時，表明該通道受到其他通道的影響較小，不需要解耦就可以完成控制器的設計；當0.3<λ<0.7或λ>1.5 時，該通道受到其他通道的影響較強，系統(tǒng)需要設計解耦器。為了判斷系統(tǒng)的耦合性，給出具體的電路參數(shù)如表1 所示。

表1： 兩級升壓變換器的電路參數(shù)

將表1 中電容、電阻等具體參數(shù)代入到式G(s)中，可得到傳遞函數(shù)矩陣的具體表達式為：

由λ=λ≈1 參考λ所屬范圍，說明兩級升壓變換器系統(tǒng)中DAB 和Buck/Boost 變換器的耦合性很小，因此可以對DAB 及Buck/Boost 變換器進行單獨的閉環(huán)控制，分別設計控制器，完成兩級升壓目標。

2 兩級升壓變換器控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)的控制方案

通過第1 章的分析，可以對兩級升壓系統(tǒng)單獨設置控制器，同時調(diào)節(jié)D 和D，使DAB 和Buck/Boost 變換器共同完成調(diào)壓目標，這樣能保證DAB 工作在匹配運行狀態(tài)，同時Buck/Boost 變換器能拓寬整個變換器的輸入電壓范圍，整個升壓變換器均能在軟開關范圍內(nèi)進行功率傳輸，工作效率高。

2.2 前級DAB控制系統(tǒng)設計

DAB 通過移相占空比D 控制能量傳輸進而控制輸出電壓的大小，為了穩(wěn)定中間側(cè)電壓，對其采用移相控制與電壓閉環(huán)控制相結合的控制方法，其閉環(huán)控制框圖如圖6 所示。

圖6： DAB 的閉環(huán)控制框圖

D 到中間側(cè)電容電壓U的傳遞函數(shù)為：

將表1 中數(shù)據(jù)代入G(s)，通過整定可得k=0.01，k=0.15。繪制G(s)的Bode 圖，如圖7 所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的幅值裕度為無窮大，相角裕度大約為96°，所以電壓補償器效果好，具有較大的穩(wěn)定裕度。

圖7： DAB 的開環(huán)系統(tǒng)Bode 圖

2.3 后級Buck/Boost變換器控制系統(tǒng)設計

Buck/Boost 變換器需要對擾動迅速做出響應，因此采用電壓電流雙閉環(huán)控制，其閉環(huán)控制框圖如圖8 所示。

圖8： Buck/Boost 變換器的雙閉環(huán)控制框圖

由式（4-7），D到電感電流I的傳遞函數(shù)為：

可得電感電流I到輸出側(cè)電容的電壓U的傳遞函數(shù)為：

通過整定，k=0.2，k=2，k=0.3，k=100，將表1 中的參數(shù)代入到式（13）中，得到如圖9 所示的開環(huán)系統(tǒng)的Bode 圖?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的幅值裕度為 12.5dB>0，相角裕度大約為70°，所以電壓環(huán)穩(wěn)定，具有較大的穩(wěn)定裕度。

圖9： Buck/Boost 變換器開環(huán)系統(tǒng)Bode 圖

3 實驗結果

搭建了一個單模塊7.5kW 功率輸出的實驗平臺，采用TMS320F28335 作為控制芯片，開關頻率為37.5kHz，為了表明實驗的真實性和有效性，在對實驗波形進行分析時，將輸入側(cè)電壓和電流及輸出側(cè)電壓或電流作為對其他波形的參考。實際進行實驗操作時候，將直流電壓源代替燃料電池發(fā)電裝置，通過負載的階躍變化測試兩級升壓硬件平臺的動態(tài)性能。

如圖 10 所示，通過控制D 和D，對DAB 進行移相+電壓環(huán)控制及對Buck/Boost 變換器進行電壓電流雙閉環(huán)控制，測試負載穩(wěn)定時，兩級升壓DC/DC 變換器的穩(wěn)壓效果。從兩級升壓變換器的實驗輸出曲線中可以看出，63V 直流電壓，經(jīng)過兩級升壓DC/DC 變換器，穩(wěn)壓輸出375V。輸入電電流約為125A，輸出電流穩(wěn)定輸出在20A，整個供電系統(tǒng)的輸入功率為7.875kW，輸出功率穩(wěn)定在7.5kW，穩(wěn)態(tài)時，效率約為95.23%。從DAB 的輸出電流波形，可見DAB 工作在電壓匹配狀態(tài)。

圖10： 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時輸出波形圖

如圖11 所示，穩(wěn)態(tài)時，輸入側(cè)電流紋波的絕對值小于4A，紋波系數(shù)為3.2%，一個循環(huán)周期時間約為6ms，頻率約為166Hz。為減小電流紋波對燃料電池的影響，電流頻率要大于120Hz 或者電流紋波參數(shù)小于4%，實驗平臺對電流紋波能夠有效抑制，適用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

圖11： 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時輸入側(cè)電流紋波

如圖12 所示，為了驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能，實驗進行了更為嚴重的負載突增實驗，從四分之一額定功率突然增加到額定值，輸出電壓由額定電壓短暫跌落而后迅速恢復到了375V，輸出電流由5A 增加到了20A 并維持穩(wěn)定。DAB 電流由于短暫的電壓不匹配，而出現(xiàn)了電流抬升，在控制系統(tǒng)的作用下，尖峰電壓較小而快速恢復穩(wěn)定，整個過程持續(xù)時間較短。

圖12： 負載突增系統(tǒng)各狀態(tài)變量波形

如圖13 所示，為了進一步驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能，對實驗樣機進行了更為嚴重的負載突減實驗，范圍為額定值到四分之一額定功率變化，輸出電壓由于負載突然減少，由額定電壓短暫抬升而后迅速恢復到了375V，輸出電流由20A 減少到了5A 并維持穩(wěn)定。DAB 電流由于功率需求的減少，不匹配狀態(tài)下，相應的回流功率下降，在控制系統(tǒng)的作用下，幾乎沒有出現(xiàn)電流尖峰。

圖13： 負載突減系統(tǒng)各狀態(tài)變量波形

4 結論

本文針對燃料電池大功率傳輸應用，本文提出了一種兩級升壓DC/DC 變換器拓撲，建立了該變換器的數(shù)學模型，分析了前后級變換器的耦合性，采用了同時調(diào)節(jié)移相比和占空比的協(xié)同控制策略。

實驗結果表明：

（1）在輸入側(cè)電壓寬范圍變化、輸入和輸出電壓存在較高升壓比的情況下，所提出的兩級升壓DC/DC 變換器能夠完成升壓目標，并維持輸出電壓的恒定；

（2）在系統(tǒng)發(fā)生負載突變時，兩級升壓DC/DC 變換器能夠表現(xiàn)出良好的動態(tài)性能。