潘浩星，劉雙寨，徐宏昌

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

0 引 言

隨著全球范圍內(nèi)不可再生能源短缺和環(huán)境污染問題不斷的加劇，世界各國都在積極開發(fā)可替代傳統(tǒng)燃料燃燒系統(tǒng)的清潔可再生動力系統(tǒng)。燃料電池是典型的可再生清潔能源，是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，其中最典型的代表為氫氧-燃料電池，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機過程，不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，且無噪聲，無污染，正在成為理想的能源利用方式。同時，隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟以及世界范圍內(nèi)大面積天然氣源的發(fā)現(xiàn)，燃料電池本身及其相關(guān)供電系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。目前在以燃料電池為能量源進行供電的電路系統(tǒng)研究的過程中面臨著一些困難。例如：可采購的高可靠性的燃料電池不多；燃料電池燃料存儲難度大；實驗室的試驗條件和安全性因素等。本文開發(fā)一種燃料電池的模擬裝置，在研究中代替燃料電池為外圍電路負載提供能量，其為燃料電池供電系統(tǒng)的開發(fā)工作帶來了極大的便利。使研發(fā)人員可以聚焦在電路系統(tǒng)開發(fā)工作，提高開發(fā)效率。同時，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同設(shè)計要求，也可以快速實現(xiàn)不同種類燃料電池的模擬裝置，進行科學(xué)研究。同時，也為類似研究開發(fā)工作提供了一種新的思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)基于燃料電池原理設(shè)計并開發(fā)一種燃料電池模擬裝置硬件電路，替代其在燃料電池系統(tǒng)所起到的作用。在實際的燃料電池系統(tǒng)中，可燃氣體燃料燃燒為燃料電池提供能量源，燃料電池通過控制系統(tǒng)控制燃料的化學(xué)反應(yīng)速度進而調(diào)節(jié)輸出的能量。燃料電池工作基本原理如圖1所示［1-3］。

圖1 燃料電池工作原理

在本設(shè)計中采用100 V直流電源代替燃料電池模擬裝置提供能量，輸出直流電壓20～70 V，輸出最大電流50 A，電壓紋波≤1%，電流紋波≤20%，最高轉(zhuǎn)換功率2 kW。其框架如下圖2所示。

圖2 燃料電池模擬裝置工作框架

系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（硬件電路1）；數(shù)據(jù)采集和分級供電子系統(tǒng)（屬于硬件電路2）；數(shù)據(jù)處理和實時控制子系統(tǒng)（軟件控制系統(tǒng)3）。

（1）能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。是燃料電池模擬裝置的基礎(chǔ)，基于DC/DC［4-6］硬件電路設(shè)計，為外部負載提供直流電壓。同時實現(xiàn)脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號的驅(qū)動電路及光電信號接收功能，并驅(qū)動功率管的開關(guān)。

（2）數(shù)據(jù)采集和分級供電子系統(tǒng)。是采集電路反饋信號，不同等級電壓供電及防短路邏輯控制電路實現(xiàn)。實時采集輸入和輸出電壓、電流數(shù)據(jù)，反饋給控制系統(tǒng)進行參數(shù)對比調(diào)節(jié)。同時，其包含的PWM［7-8］信號防短路模塊，能夠防止由于兩路PWM信號沖突而產(chǎn)生的DC/DC電路的短路問題。

（3）數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)?；赿SPACE硬件實時接收電路反饋數(shù)據(jù)并進行處理。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換，濾波。同時，根據(jù)電路設(shè)計輸入、輸出條件確定燃料電池U-I特性曲線建模與實采數(shù)據(jù)進行對比調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM信號指令，通過光纖收發(fā)器傳輸、控制功率管的占空比，進而控制模擬裝置的輸出電壓、電流與燃料電池實物輸出吻合。

2 硬件電路子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)組成和原理

系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換基本電路，功率管驅(qū)動器和光纖接收器組成。結(jié)構(gòu)如圖4所示。能量轉(zhuǎn)換基本電路主要包括功率元器件MOSFET［9］、電感和電容，為負載提供直流電壓。功率管驅(qū)動器通過從光纖端口接收到的占空比信號驅(qū)動MOSFET的開關(guān)時長，從而控制負載兩端的輸出電壓。光纖接收器進行光電信號的轉(zhuǎn)換，降低信號干擾并保證傳輸實時性。

圖4 能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

2.1.2 關(guān)鍵參數(shù)L和C1計算和主要部件選型

根據(jù)設(shè)計條件：輸入直流電壓UI＝100 V，輸出直流電壓U0＝20～70 V，最大輸出電流Iomax＝50 A，電壓紋波ΔUC/Uo≤1%，電流紋波ΔIL/Iomax≤20%。降壓電路如圖5所示。

圖5 降壓電路圖

（1）電感L計算。在降電壓輸出過程中，電感上電壓為正時，電感上電流增加；當(dāng)電感上的電壓為負時，電感上的電流減少，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，取

式中：f0為開關(guān)頻率。輸入DCUi＝100 V，輸出直流Uo＝20～70 V之間，可以得到：

式中：δ為輸出、輸入電壓有效值之比。

將式（2）代入式（1）中

式中：根據(jù)設(shè)計初始條件電流紋波值ΔIL取最大輸出電流Iomax的20%，即

fs為開關(guān)頻率，其增大可以減少電流紋波，但開關(guān)損耗會引起效率下降，綜合考慮［10］選取fs＝100 kHz。將ΔIL和fs代入式（3），則

（2）濾波電容C1計算。在實際電路中濾波電容C1能夠減少電壓紋波，使得輸出電壓更加平滑穩(wěn)定。ΔUC電壓紋波越小，輸出電壓越穩(wěn)定，根據(jù)設(shè)計要求ΔUC/Uo≤1%，由電壓紋波公式［11］：

濾波電容C1至少為63 μF。

2.1.3 主要部件選型

根據(jù)電路設(shè)計要求選擇對應(yīng)的主要電器元件，見表1。

表1 主要電器元件列表

2.2 數(shù)據(jù)采集和供電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

在能量轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)上，對電壓和電流信號進行采集、濾波、放大等。除此之外為硬件電路中的不同電氣元件提供不同等級的工作電壓。同時，設(shè)計合理的邏輯硬件電路，避免雙路PWM信號同時傳輸產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，并采用光纖進行通信傳輸。

2.2.1 傳感器與dSPACE硬件

通過電流、電壓傳感器分別對電流、電壓進行實時數(shù)據(jù)采集，采用dSPACE硬件模塊進行數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換［12］。

（1）電流測量和電壓測量。采用LEM LA 55-P電流傳感器，電源電壓為±15 V，測量范圍±60 A；分別測量：II和Io；采用LEM LV 25-P電壓傳感器，電源電壓為±15 V，測量范圍10～500 V，分別測量：UI和Uo。

（2）dSPACE模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采用DS1104ADC硬件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其共有8輸入通道，8輸出通道。需要使用通道數(shù)量和屬性可以通過Matlab進行設(shè)置（見圖6）。

圖6 dSPACE數(shù)據(jù)采集硬件

2.2.2 防短路邏輯電路設(shè)計

當(dāng)電路中的兩個MOSFET同時工作，將會產(chǎn)生短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電路工作不正常。因此，必須保證MOSFET按照一定邏輯交替進行工作［13］（見圖7）。

圖7 防短路XOR-AND組合邏輯電路圖

2.2.3 電源供給電路設(shè)計

根據(jù)硬件電路中不同的電壓等級需求，對輸入電壓進行等級劃分［14］（見圖8）。

圖8 多級電壓分配圖

3 硬件電路實現(xiàn)

3.1 能量轉(zhuǎn)換硬件電路

電路中的電子器件全部經(jīng)計算分析后，選型采購制成實物（見圖9）。主要包括PWM驅(qū)動模塊，光纖接收器，MOSFET等。

3.2 數(shù)據(jù)采集硬件電路

考慮dSPACE硬件采集通道輸入條件限制。采用LEM電流傳感器，LEM電壓傳感器，匹配電路等電子器件并對采集信號進行一系列的采集、濾波、放大等轉(zhuǎn)換處理（見圖10）。使處理過的信號能夠與信號采集硬件匹配。

圖10 電壓和電流采集電路實物圖

4 結(jié) 語

基于燃料電池的工作原理，設(shè)計出替代燃料電池工作的模擬器整體方案。同時，根據(jù)測試給出的邊界條件實現(xiàn)了模擬器硬件部分的參數(shù)計算，電器元件選型以及實際電路的設(shè)計和實現(xiàn)。為下一步基于dSPACE硬件上，運用Matlab來設(shè)計開發(fā)模擬器控制軟件奠定基礎(chǔ)。