河北科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車用DC-DC變換器復(fù)雜的輸入輸出特性要求，深入研究了燃料電池車用大功率DC-DC變換器控制系統(tǒng)，在輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓三閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加復(fù)合自動(dòng)控制器、動(dòng)態(tài)選擇控制特性調(diào)節(jié)信號(hào)的方法，提出一種復(fù)合輸入輸出特性控制方法，并開發(fā)出相應(yīng)控制系統(tǒng)，該研究對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車的研制具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本論文的研究?jī)?nèi)容來(lái)源于國(guó)家“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目之“車用大功率DC-DC變換器研發(fā)”，是國(guó)家“十五”863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)“燃料電池車用大功率DC-DC變換器”延續(xù)和深入研究。

DC-DC變換器是燃料電池電動(dòng)汽車不可或缺的重要部件，是燃料電池電動(dòng)汽車安全、可靠、高效運(yùn)行的重要保障之一，與燃料電池電動(dòng)汽車一樣具有巨大的潛在市場(chǎng)和長(zhǎng)遠(yuǎn)需求。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，國(guó)內(nèi)外各大汽車研究機(jī)構(gòu)都在大力研究開發(fā)節(jié)能、零污染的燃料電池電動(dòng)汽車。目前研制的大多數(shù)燃料電池電動(dòng)汽車中，大功率DC-DC變換器是必不可少的關(guān)鍵零部件之一。燃料電池電動(dòng)汽車要求DC-DC變換器必須具有功率大(幾十個(gè)到上百個(gè)千瓦)、效率高(大于96%)、安全可靠、體積小等特點(diǎn)。但是由于燃料電池電氣輸出特性較軟且動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足，采用DC-DC變換器對(duì)其進(jìn)行功率變換、能量傳遞和控制是一種有效的解決方案，DC-DC變換器作為能量控制執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池的輸出進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)整車控制器對(duì)燃料電池車不同的控制算法，以此來(lái)提高燃料電池車動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性以及其他整車性能指標(biāo)。這樣就要求DC-DC變換器必須具備靜動(dòng)態(tài)特性好、外特性調(diào)節(jié)方便、多種輸入輸出特性控制模式及自動(dòng)切換的功能。

這一問(wèn)題，在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》(Proceedings of the CSEE)2009年6月第18期的論文《燃料電池車用大功率DC-DC變換器復(fù)合輸入輸出特性控制系統(tǒng)》中得到了全面闡述。

論文指出，在常規(guī)開關(guān)電源中，一般只對(duì)輸出特性進(jìn)行控制，很少涉及對(duì)輸入特性的控制，燃料電池車用DC-DC變換器不但要對(duì)輸出進(jìn)行恒壓、恒流控制，還要求燃料電池在最低電壓工作點(diǎn)(即“欠壓點(diǎn)”)時(shí)，DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率或減功率控制，以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作電壓維持在欠壓點(diǎn)，這是對(duì)DC-DC變換器提出的一種特殊控制特性——“輸入欠壓控制”。另外還要求輸入輸出特性之間可以自動(dòng)切換，來(lái)滿足整車控制策略，這些都大大提高了變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

論文針對(duì)上述特殊控制要求，首先建立了輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓控制的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，然后將3個(gè)閉環(huán)控制輸出調(diào)節(jié)值送入復(fù)合控制器，來(lái)選擇當(dāng)前的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，得到最終的調(diào)節(jié)信號(hào)(為三路特性信號(hào)之一，并且隨著輸入輸出狀態(tài)的變化不斷自動(dòng)變化)，對(duì)PWM電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，調(diào)節(jié)絕緣柵雙極型晶體管的占空比，實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器的輸入輸出控制。按照復(fù)合輸入輸出特性控制的原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得到了控制系統(tǒng)輸入輸出與占空比之間的關(guān)系，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，DC-DC變換器輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓特性可以根據(jù)控制信號(hào)的變化進(jìn)行切換，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性好，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)驗(yàn)的可行性。

本研究成果應(yīng)用于燃料電池汽車所需的高性能、高容量、高功率、高密度、高效率、高可靠性的大功率DC-DC變換器。截止到2008年底，已研制出多種規(guī)格的高效節(jié)能的車用大功率單向DC-DC(最大變換功率高達(dá)170kW以上)、雙向DC-DC和輔助DC-DC變換器。所研制DC-DC變換器已裝載于國(guó)內(nèi)多臺(tái)燃料電池汽車中，單臺(tái)零故障累計(jì)運(yùn)行六萬(wàn)多公里。研究結(jié)果為大功率DC-DC變換器在燃料電池汽車中的應(yīng)用提供了有效的技術(shù)方案，為我國(guó)燃料電池汽車的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

延伸閱讀 ——燃料電池及DC/DC變換器

什么是燃料電池

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)了。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。

燃料電池有何特點(diǎn)

燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，燃料電池具有以下特點(diǎn):

(1)能量轉(zhuǎn)化效率高。直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料——電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。

(2)有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低，CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，無(wú)機(jī)械振動(dòng)。

(3)燃料適用范圍廣。

(4)積木化強(qiáng)，規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適。

(5)負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高。燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負(fù)荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動(dòng)，降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。

中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開展了燃料電池方面的研究且在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破。中國(guó)政府十分注重燃料電池的研究開發(fā)，陸續(xù)開發(fā)出百瓦級(jí)～30kW級(jí)氫氧燃料電極、燃料電池電動(dòng)汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組，開發(fā)出電動(dòng)轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，使中國(guó)的燃料電池技術(shù)跨入世界先進(jìn)國(guó)家行列。

在當(dāng)今全球能源緊張、油價(jià)高漲的時(shí)代，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)闅淠艿膬?yōu)勢(shì)明顯，清潔、高效，因此得到各國(guó)政府的大力支持，加上各種能源動(dòng)力企業(yè)對(duì)燃料電池的發(fā)展信心十足，所以燃料電池未來(lái)市場(chǎng)將有巨大的上升空間。

DC/DC(直流-直流)變換器

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比改變輸出電壓平均值。

直流-直流變換器(DC-DC converter)內(nèi)部一般具有PWM(脈寬調(diào)制)模塊、E/A(差錯(cuò)放大器模塊)、比較器模塊等幾大功能模塊。其工作原理為:輸出經(jīng)過(guò)FB(反饋電路)接到FB pin，反饋電壓VFB與設(shè)定好的比較電壓Vcomp比較后，產(chǎn)生差錯(cuò)電壓信號(hào)，差錯(cuò)電壓信號(hào)輸入到PWM模塊，PWM根據(jù)差錯(cuò)電壓的大小調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，振蕩器的作用是產(chǎn)生PWM工作頻率的三角波，三角波經(jīng)過(guò)斬波電壓斬波后，產(chǎn)生方波，其方波就是控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間從而控制輸出電壓的。