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負載工作電壓變換的原理，設計了一種針對質(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行檢驗。結(jié)果表明，所設計的降壓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)過化學反應產(chǎn)生電能以及生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池電動車以其效率高、零污染、氫氣來源廣泛等諸多優(yōu)點，被視為人類未來最理想的汽車。在燃料電池轎車的實際應用中，一方面考慮到目前燃料電池價格較高，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載而定，因此有必要將燃料電池輸出電壓與負載正常工作電壓之間進行合理轉(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)的一些擾動會使燃料電池堆的輸出電壓發(fā)生波動，從而母線電壓也會產(chǎn)生一定幅度的波動，如果在母線和用電器之間沒有抗擾動裝置的話，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)，長時間運行的話，會影響所配設備的壽命，這就要求所配降壓DC-DC具有較好的抗干擾性能，當負載突然變化時，輸出電壓能夠盡快恢復平衡。

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，其電路較復雜，體積大，重量大，效率低下，故在燃料電池電動轎車上一般不采用[1]。目前，雙向DC-DC的研究很多，武紅玉[2]根據(jù)電動汽車性能設計的要求，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)外學者對于非隔離類型DC-DC變換器進行了深入的研究，Huang B等[3]設計了非隔離DC-DC來實現(xiàn)燃料電池電壓轉(zhuǎn)換，這樣的設計能夠很好的轉(zhuǎn)換電壓到目標值，但造成了電路結(jié)構(gòu)的復雜，且響應時間勢必受到影響。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，調(diào)試時間較長。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)絡控制等，需要完備的控制對象的專家經(jīng)驗[5]，實現(xiàn)手段較復雜。

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)子膜燃料電池堆設計了一種新型降壓式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

由于本文所設計的燃料電池轎車上直流總線電壓被設計為375V，而轎車上的各個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。本文所設計的降壓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

本文設計的降壓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)反饋電壓值與設定輸出電壓值的比較大小來決定控制開關(guān)的開閉，進而決定Buck主電路是降壓還是保持電壓不變，直到輸出電壓達到設定電壓為止。本文設定輸出電壓值為12V，當燃料電池輸出電壓高于各電器需求電壓時，DC-DC變換器控制器開始起作用，當變換器輸出電壓高于設定輸出電壓時，開關(guān)控制器將0信號輸入MOSFET場效應晶體管控制端，Buck主電路開始降壓；當變換器輸出電壓低于設定輸出電壓時，開關(guān)控制器將1信號輸入MOSFET場效應晶體管控制端，Buck主電路將輸出電壓穩(wěn)定在設定值，開始穩(wěn)壓，如此往復，通過控制MOSFET場效應晶體管的通斷來實現(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

當輸入端輸入直流電壓375V時，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時由375V直流電壓降為12V穩(wěn)態(tài)電壓，輸出響應較快，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓幾乎沒有波動。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，信號參數(shù)設定為：初始值375V，最終值250V，step時間為0.0007s。負載擾動下降壓變換器輸出電壓響應情況如圖5所示。

由圖5可以看出，在7×10-4s時輸出電壓因負載干擾發(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。從而驗證了所設計的降壓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轎車上各用電器需求電壓問題，本文設計了一個種以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)所設計的變換器響應性能好，精度較高。此外，對所設計變換器的抗干擾性能進行檢驗，結(jié)果表明所設計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的設計提供了很好的數(shù)據(jù)參考，縮短了實驗周期，降低了實驗成本，為質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的設計提供了很好的參考價值。

【參考文獻】

[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，2014.

[2]武紅玉.雙向DC/DC變換器在電動汽車中的應用[J].河南科技大學學報（自然科學版），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Buck-Boost變換器的魯棒高階滑模控制[J].中國電機工程學報，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，2014.

[責任編輯：湯靜]