游志宇， 陳維榮， 李 奇， 戴朝華， 陶詩(shī)涌

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

多相峰值電流控制的燃料電池通信電源設(shè)計(jì)

游志宇， 陳維榮， 李 奇， 戴朝華， 陶詩(shī)涌

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)目前通信電源系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)及燃料電池良好的應(yīng)用前景，提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，替代了傳統(tǒng)鉛酸蓄電池通信電源系統(tǒng)，減少了對(duì)環(huán)境的污染，而且所采用的多相峰值電流控制策略能夠通過(guò)將電流均分到多個(gè)功率通道，降低功率器件的傳導(dǎo)損耗及熱壓力，提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)多相大功率B oo st變換器設(shè)計(jì)，解決燃料電池輸出特性較軟以及目前大功率B oo st變換器設(shè)計(jì)存在的不足。根據(jù)所建立的B oo st變換器電路模型，仿真證明該B oo st變換器具有較低的輸出電壓、電流紋波，而且在此基礎(chǔ)上研制出一臺(tái)3 k W的燃料電池通信電源系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該B oo st變換器效率較高，輸出電壓、電流紋波及噪音低，能夠滿足通信電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

燃料電池；通信電源；B oo st變換器；多相；峰值電流

近年來(lái)，隨著全球能源短缺與環(huán)保問(wèn)題的日益突出，新能源的應(yīng)用研究已受到世界各國(guó)的大力關(guān)注，因此開(kāi)展清潔、環(huán)保的新型能源應(yīng)用研究具有重要意義[1]。燃料電池由于功率密度高、潔凈、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)而成為具有吸引力的新能源之一，近年來(lái)得到了世界各國(guó)的高度重視和大力資助[2]。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信電源得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的通信電源系統(tǒng)一般包含市電電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和備用電源系統(tǒng)兩大部分[3]，其中備用電源系統(tǒng)一般采用鉛酸蓄電池組，在市電停電或故障時(shí)為通信設(shè)備提供運(yùn)行的備用電源，保障通信設(shè)備短時(shí)間內(nèi)的正常運(yùn)行，其缺點(diǎn)是體積大、笨重、使用壽命短、廢棄后造成一次和二次環(huán)境污染、備電時(shí)間有限且有不確定性、對(duì)環(huán)境溫度要求苛刻。鑒于鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，加之能源危機(jī)和人們環(huán)保意識(shí)的提高，研發(fā)基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。由于燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，清潔、無(wú)污染、噪聲低，比功率高，逐漸被公認(rèn)為能夠取代蓄電池作為通信電源系統(tǒng)中的備用電源，成為通信電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[4]。

燃料電池雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足，例如其輸出特性較軟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、輸出電壓波動(dòng)較大[5]，而且啟動(dòng)時(shí)需要輔助電源，難以與負(fù)載直接連接。為了克服燃料電池存在的以上問(wèn)題，需要通過(guò)在燃料電池輸出端連接一個(gè)DC/DC變換器[6-9]，使其輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。目前大功率DC/DC變換器一般采用單相變換器或多個(gè)單相變換器并聯(lián)的方式[10-12]，這種方式存在功率器件選擇面窄，輸出電壓、電流紋波高，噪音大，輸出端電容、電感大，電路復(fù)雜等缺點(diǎn)。本文結(jié)合燃料電池的特性以及目前大功率Boost變換器方案存在的缺陷，提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法將電流均分到多個(gè)功率通道，以降低功率器件的傳導(dǎo)損耗及熱壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高。本文采用LTspice IV軟件對(duì)所提出的6相峰值電流控制Boost變換電路模型進(jìn)行了建模和仿真，對(duì)多相峰值電流控制Boost變換器性能進(jìn)行了驗(yàn)證，最后根據(jù)仿真結(jié)果和總體方案研制了一臺(tái)3 kW多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)提出的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 燃料電池的特點(diǎn)

燃料電池是一種高效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。只要有燃料和氧化劑不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能。燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體（即氣體或液體），常用的燃料為純氫氣、重整氣、甲醇等，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等。氫燃料在燃料電池的陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成離子和電子；離子通過(guò)電解質(zhì)遷移到陰極，電子通過(guò)外電路遷移到陰極為外界負(fù)載提供電能；遷移到陰極的離子、電子和陰極處的氧化劑結(jié)合生成水隨尾氣排出[13]。兩個(gè)電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程如下：

燃料電池具有高效率、零或超低排放、安靜、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，且燃料電池發(fā)電裝置直接輸出直流電，非常適用于直流負(fù)載系統(tǒng)。但燃料電池的輸出特性較軟，存在輸出電壓隨著輸出電流的增加而降低，供電時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、輸出電壓波動(dòng)大，負(fù)載變化時(shí)輸出電壓不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題[5]。因此，燃料電池不可能向蓄電池那樣直接通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)方式對(duì)直流負(fù)載系統(tǒng)直接供電，它總是先通過(guò)DC/DC變換器后再與直流負(fù)載連接，或再通過(guò)逆變器后接交流負(fù)載[6-7]。另外燃料電池在啟動(dòng)時(shí)需要外部提供啟動(dòng)輔助電源，一般配置小容量的蓄電池作為燃料電池啟動(dòng)時(shí)輔助系統(tǒng)的供電和啟動(dòng)時(shí)對(duì)負(fù)載系統(tǒng)的短時(shí)支撐。

1.2 燃料電池通信電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)通信電源系統(tǒng)一般由市電電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和備用電源系統(tǒng)兩大獨(dú)立部分組成，而備用電源系統(tǒng)一般由大容量鉛酸蓄電池組構(gòu)成，存在備電時(shí)間短、體積大、壽命短、難于進(jìn)行二次回收再利用等缺點(diǎn)。由于通信設(shè)備的工作電源通常是48 V直流[4]，而燃料電池輸出的正好是直流，這使得燃料電池非常適用于通信電源系統(tǒng)中。

根據(jù)燃料電池輸出特性及通信電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于燃料電池的通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由市電供電回路、燃料電池供電回路、鋰電池供電回路、系統(tǒng)控制單元及人機(jī)接口組成。

市電供電回路由AC/DC變換器、AC/DC控制單元組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)市電有無(wú)電的監(jiān)測(cè)、市電220 V到直流48 V的轉(zhuǎn)換、AC/DC變換器的控制、市電供電回路狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)等功能，并與系統(tǒng)控制單元實(shí)時(shí)通信，傳輸控制命令及參數(shù)。

圖1 燃料電池通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

燃料電池供電回路包含燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電控制器。其中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括與其相連接的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料電池堆等[14]；燃料電池發(fā)電控制器實(shí)現(xiàn)燃料電池的發(fā)電控制、燃料電池系統(tǒng)壓力、溫度、電壓、電流等參數(shù)的采集，并通過(guò)CAN總線與系統(tǒng)控制單元進(jìn)行通信，接收系統(tǒng)控制單元下發(fā)的控制命令、上傳采集的電壓、電流、壓力、溫度等參數(shù)給系統(tǒng)控制單元。

鋰電池供電回路由鋰電池充電管理單元、鋰電池組組成。鋰電池組主要用于燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)為燃料電池提供輔助電源，同時(shí)在市電供電回路和燃料電池供電回路切換期間，提供短暫的負(fù)載功率支撐，并在燃料電池供電時(shí)為負(fù)載突變提供功率補(bǔ)償[15]；鋰電池充電管理單元在檢測(cè)到鋰電池組的SOC值低于設(shè)定值時(shí)，對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。

系統(tǒng)控制單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信電源系統(tǒng)的控制管理，協(xié)調(diào)各功能單元自動(dòng)工作，接收遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，采集電源系統(tǒng)的所有參數(shù)并通過(guò)人機(jī)接口進(jìn)行顯示處理及上傳到遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備。系統(tǒng)控制單元與AC/DC控制單元、DC/DC控制單元、燃料電池發(fā)電控制器、蓄電池充電管理單元及人機(jī)接口實(shí)時(shí)通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令傳輸，實(shí)現(xiàn)各單元的協(xié)調(diào)自動(dòng)工作。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和系統(tǒng)直流總線之間使用單向DC/DC變換器，輔助鋰電池直接與系統(tǒng)直流母線相連接。燃料電池的輸出電壓通過(guò)DC/DC變換器的升壓或者降壓與系統(tǒng)直流母線的電壓等級(jí)進(jìn)行匹配，這樣就使燃料電池功率輸出能力與系統(tǒng)直流母線電壓間不存在直接耦合關(guān)系，而且DC/DC變換器可將直流母線的電壓維持在通信設(shè)備運(yùn)行的范圍內(nèi)。

1.2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)控制單元是系統(tǒng)控制的核心，它控制整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行及各供電回路的自動(dòng)切換、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)采集及人機(jī)交互。電源系統(tǒng)的運(yùn)行模式可以分為：?jiǎn)?dòng)工作模式、交流電供電模式、鋰電池供電模式（即轉(zhuǎn)鋰電池供電，燃料電池啟動(dòng)工作模式）、燃料電池供電模式（即轉(zhuǎn)燃料電池供電，鋰電池做功率補(bǔ)償模式）、燃料電池轉(zhuǎn)交流供電暫態(tài)工作模式（即恢復(fù)交流電供電過(guò)渡工作模式），各工作模式自動(dòng)切換轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 工作回路自動(dòng)切換轉(zhuǎn)移圖

電源系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到市電供電正常時(shí)，系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)市電供電回路對(duì)負(fù)載供電，停止燃料電池供電回路工作，同時(shí)在鋰電池充電管理單元控制下對(duì)鋰電池組充電；當(dāng)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到市電停電時(shí)，系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)鋰電池供電回路對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)切斷市電供電回路，啟動(dòng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)電。在燃料電池輸出穩(wěn)定后切換到燃料電池供電回路對(duì)負(fù)載供電，鋰電池供電回路僅作為負(fù)載功率突變的功率補(bǔ)償，并在鋰電池充電管理單元控制下對(duì)鋰電池組充電；當(dāng)電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到市電供電回路、燃料電池供電回路均故障時(shí)，自動(dòng)切換到蓄電池供電回路對(duì)負(fù)載供電，并產(chǎn)生報(bào)警信息上傳至遠(yuǎn)端人工值班系統(tǒng)，在鋰電池組電壓低于保護(hù)閥值時(shí)切斷負(fù)載供電，整個(gè)電源系統(tǒng)停止工作。

2 多相峰值電流控制DC/DC變換器

由于燃料電池輸出電壓較低，為得到較高的電壓增益，需要采用Boost變換器將燃料電池輸出的電壓進(jìn)行升壓。在燃料電池通信電源系統(tǒng)中，Boost變換器除了起升壓作用外，還保持輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定在額定值范圍內(nèi)。目前常見(jiàn)的大功率Boost變換器有兩種解決方案：一種是采用單相大功率Boost變換器，這種方案功率器件的熱壓力較大，可選擇的功率器件面窄，輸出端濾波電容、電感較大，輸出電壓、電流紋波和噪音較大；另一種是采用多個(gè)單相Boost變換器和一個(gè)外部均流管理電路，構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)的大功率Boost變換器，外部均流管理電路實(shí)現(xiàn)多個(gè)并聯(lián)通道的電流均衡，此方案可以降低器件的熱壓力，但需要外部均流電路，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜?；诂F(xiàn)有Boost方案存在的缺陷，本文采用多相峰值電流控制策略，將電流均分到多個(gè)功率通道，降低功率器件的傳導(dǎo)損耗及熱壓力，提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)多相大功率Boost變換器，使得變換器輸出電壓、電流紋波及噪音低，輸出濾波電容、電感小，功率器件熱壓力低。

本文采用3個(gè)非同步多相控制器構(gòu)成6相Boost變換器，將電流均分到6個(gè)功率通道，降低每個(gè)功率通道的傳導(dǎo)損耗，同時(shí)系統(tǒng)熱壓力在更多功率器件及更大的電路板面積上均分，使得功率器件選擇面更寬。每個(gè)非同步多相控制器具有兩個(gè)以180°反相工作的功率級(jí)，每個(gè)功率級(jí)都由一個(gè)電感、MOSFET、肖特基二極管和電流檢測(cè)電阻組成，這兩個(gè)功率級(jí)相位是完全平衡的，具有嚴(yán)格的電流限制門限、以及高度準(zhǔn)確的誤差放大器輸出到電流檢測(cè)比較器輸入的轉(zhuǎn)移函數(shù)，保證與電感峰值電流匹配保持準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)在多相中強(qiáng)制電流平衡。在LTspice IV中建立了6相峰值電流控制的Boost變換器電路模型，如圖3所示。

圖3 6相B oo st變換器電路模型

在6相峰值電流控制的Boost變換器電路模型中，采用3個(gè)非同步多相控制器通過(guò)級(jí)聯(lián)構(gòu)成6相Boost變換器，使得通道之間相位差為30 ，非同步多相控制器的運(yùn)行控制Run、電壓反饋FB、誤差補(bǔ)償ITH、軟啟動(dòng)SS等控制信號(hào)直接并聯(lián)在一起，工作頻率均設(shè)置為相同的固定頻率100 kHz，并將作為主控的非同步多相控制器同步時(shí)鐘輸出連接到第一個(gè)從控制器的同步時(shí)鐘輸入端，第一個(gè)從控制器的同步時(shí)鐘輸出接到第二個(gè)從控制器的同步時(shí)鐘輸入端。仿真時(shí)設(shè)主輸入電源為30 V，控制器電源為12 V電源，模型輸出電壓設(shè)置為48 V，負(fù)載電流設(shè)置為74 A，電感為4.9μH，仿真時(shí)間為2ms進(jìn)行仿真，輸出電壓、電流的仿真波形如圖4所示。其中V(in)是輸入電壓，V(out)是輸出電壓，I(RLoad)是負(fù)載電流。從仿真波形可以看到輸出電壓為48 V，電壓峰峰值為0.235 V，輸出負(fù)載電流為74 A，電流峰值為0.354 A。

圖4 30 V輸入時(shí)6相B oo st變換器輸出電壓/電流波形

通過(guò)設(shè)置不同的輸入電壓進(jìn)行仿真測(cè)試，得到不同輸入電壓下輸出電壓、電流的最大值、最小值及峰-峰值如表1所示。從表1可以看出，6相Boost變換器的輸出電壓、電流紋波非常低，滿足大功率Boost變換器設(shè)計(jì)的要求。

表 1 不同輸入電壓下輸出電壓電流的最大及最小值

3 系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)及測(cè)試

根據(jù)提出的多相峰值電流控制方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，研制了一套3 kW的燃料電池通信電源系統(tǒng)樣機(jī)。樣機(jī)選用的燃料電池堆輸出電壓范圍為30～40 V，凈輸出功率為3.5 kW，6相峰值電流控制的Boost轉(zhuǎn)換器最大功率為3 kW。

系統(tǒng)控制單元采用C8051F040單片機(jī)做主控制器，主控制器實(shí)時(shí)采集電源系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)控制單元與燃料電池控制器采用CAN通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的傳輸，系統(tǒng)控制單元實(shí)時(shí)提供Boost變換器輸出的電壓、電流給燃料電池發(fā)電控制器，燃料電池發(fā)電控制器根據(jù)目前獲取的電壓、電流及燃料電池系統(tǒng)的氫氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池堆的功率輸出，以滿足負(fù)載的需要。構(gòu)建的樣機(jī)實(shí)物如圖5所示。

圖5 6相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統(tǒng)樣機(jī)

本文重點(diǎn)關(guān)注多相峰值電流控制的Boost變換器，利用10 kW電子負(fù)載代替通信設(shè)備，對(duì)Boost變換器進(jìn)行效率測(cè)試，在不同輸入電壓的情況下采集多組數(shù)據(jù)得到的效率曲線如圖6所示。從效率曲線可以看出在輸出功率達(dá)到500W后，燃料電池供電回路的效率都在90%以上，最高效率達(dá)到95%。

圖6 Boost變換器效率曲線

4 結(jié)論

針對(duì)目前通信電源系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)及燃料電池良好的應(yīng)用前景，本文提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，替代了傳統(tǒng)鉛酸蓄電池通信電源系統(tǒng)，減少了對(duì)環(huán)境的污染。隨著功率密度的不斷提高，多相Boost變換器將成為保持輸入電流可管理，提高效率的必然選擇。本文提出的多相峰值電流控制Boost變換器，將電流均分到多個(gè)功率通道，降低了功率通道的傳導(dǎo)損耗，減小了輸出端電容大小，使得輸出電壓、電流紋波低，噪音小，組件的熱壓力小，功率器件選擇面廣，系統(tǒng)效率高。研制的燃料電池通信電源系統(tǒng)樣機(jī)性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足通信電源標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，燃料電池制造成本的下降，配套設(shè)施的逐漸完善，燃料電池作為一種高效節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，將會(huì)在通信行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

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《燃料電池設(shè)計(jì)與制造》

本書(shū)從系統(tǒng)工程、系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度而非深?yuàn)W的電化學(xué)、熱力學(xué)理論角度，結(jié)合實(shí)際案例，介紹了燃料電池的基本概念、系統(tǒng)組成和系統(tǒng)分類，描述了燃料電池涉及的主要基礎(chǔ)理論知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，從工程應(yīng)用角度說(shuō)明了燃料電池的工作條件、堆的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、流道設(shè)計(jì)和材料要求等，提出了用于表征燃料電池關(guān)鍵性能的主要指標(biāo)，論述了如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與設(shè)計(jì)。全書(shū)深入淺出而又全面透徹，并在每章末尾提出了若干引導(dǎo)讀者進(jìn)一步思考和討論的問(wèn)題。

Design of fuel cell communication power system based on multi-phase peak currentmode control

YOU Zhi-yu,CHENWei-rong,LIQi,DAIChao-hua,TAO Shi-yong
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

A fuel cell communication power system design based on multi-phase peak current mode control was proposed to replace the traditional lead-acid battery communication power system for the shortcomings of communications power systems and the good application prospects of the fuel cell, which has reduced the transmission loss and thermal pressure of the power device and improved the efficiency of the system,achieved multi-phase high power Boost converter design as well as solved the soft-output characteristics of the fuel cell and the high-power Boost converter design shortage. A model of a Boost converter circuit was established and the simulation results demonstrate that the boost converter has a low output voltage ripple and current ripple. In additional, a 3 kW fuel cell system of communication power prototype based on this new system was given. Experimental results prove the Boost converter with high efficiency, low output voltage ripple, current ripple and noise,can meet the requirement of the communication power standard.

fuel cell;communication power;Boost converter;multi-phase;peak current

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-1989-04

2013-04-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177138)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (20100184110015)；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2012J012-D)；四川省國(guó)際科技合作與交流研究計(jì)劃(2012HH0007)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(SWJTU11CX030)

游志宇(1980—)，男，四川省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)及其應(yīng)用、混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理技術(shù)。