李亞涵 孫 飛

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 概述

因具有良好的環(huán)保特性及運(yùn)行性能，燃料電池被廣泛應(yīng)用于新能源汽車行業(yè)，并且已經(jīng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，然而在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，燃料電池的缺陷日益突顯，如輸入輸出紋波大等問題引發(fā)了廣泛關(guān)注。為了解決這樣的問題，許多學(xué)者在DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了研究。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多種燃料電池DC/DC 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]中提到了四相交錯(cuò)式Boost 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)洳捎枚嘞嘟惶鎸?dǎo)通策略，低功率需求時(shí)，部分相導(dǎo)通，降低了功率損失，提高了轉(zhuǎn)換效率，但該拓?fù)渲衅骷倲?shù)過多，導(dǎo)致其體積大、功率密度低，此外，該拓?fù)湓谶M(jìn)行控制時(shí)采用四相交錯(cuò)技術(shù)，控制難度大；文獻(xiàn)[4]中提到了雙Boost 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渲虚_關(guān)器件較少，且兩個(gè)開關(guān)器件只需要相同的PWM 驅(qū)動(dòng)即可，但該拓?fù)渖龎旱燃?jí)較低，且輸入電流紋波存在尖峰，會(huì)減少質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命；文獻(xiàn)[5]中提到了兩級(jí)式升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)為兩相交錯(cuò)式Boost 結(jié)構(gòu)，后級(jí)為自耦全橋升壓結(jié)構(gòu)，該拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬峡梢詼p小輸入電流的低頻紋波含量，提高紋波頻率，并且可以滿足較大升壓比，但也存在開關(guān)器件多，功率損耗多的問題，且拓?fù)渲泻凶儔浩?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大。

本文以提高燃料電池車用DC/DC 的性能為目的，提出了一種基于三相交錯(cuò)式Boost 結(jié)構(gòu)的新型DC/DC 結(jié)構(gòu)，該拓?fù)湓谌嘟诲e(cuò)式Boost 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了輸入側(cè)濾波電感和π 型緩沖電路，有效抑制了輸入電流紋波和輸出電壓紋波，提高了開關(guān)頻率，通過仿真驗(yàn)證了拓?fù)涞目尚行浴?/p>

2 電路原理分析

傳統(tǒng)交錯(cuò)式Boost 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)交錯(cuò)式Boost 變換器

本文在傳統(tǒng)交錯(cuò)式Boost 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了輸入濾波電感和 型緩沖電路，該結(jié)構(gòu)的加入可以最大程度地降低DC/DC系統(tǒng)的輸入輸出紋波。為了防止開關(guān)器件被導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的尖峰電流破壞，本文為開關(guān)器件設(shè)計(jì)了RCD 吸收電路，RCD 電路的設(shè)計(jì)可以很好的吸收開關(guān)器件導(dǎo)通產(chǎn)生的尖峰電流和電壓，起到保護(hù)開關(guān)器件和主電路的作用，同時(shí)可以降低系統(tǒng)的有功損耗，提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。增加RCD 吸收電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的Boost 變換器

三相交錯(cuò)式Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其本身的計(jì)算和單相Boost 電路類似，為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，本文將其簡(jiǎn)化為單相Boost電路計(jì)算。

由于開關(guān)器件的存在，所以Boost 變換器采用的控制方式是PWM 控制，即電路需要通過控制PWM 的占空比的形式，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制電路實(shí)現(xiàn)升壓的功能。當(dāng)PWM 的占空比不同時(shí)，電路也會(huì)工作在不同的狀態(tài)，電路三種狀態(tài)如圖3(a)、(b)、(c)所示。

圖3 Boost 變換器電路的3 個(gè)工作狀態(tài)

如圖4 中所示，根據(jù)基爾霍夫定律可得

圖4 Boost 電路在CCM(左)和DCM(右)狀態(tài)時(shí)工作波形

當(dāng)電路正常工作時(shí)，如果只出現(xiàn)了狀態(tài)1 和狀態(tài)2，此時(shí)，電路工作在CCM 狀態(tài)，如果出現(xiàn)狀態(tài)1 和狀態(tài)2 的同時(shí)，出現(xiàn)了狀態(tài)3，那么電路就工作在DCM 狀態(tài)，可以通過調(diào)整電路參數(shù)或者PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，調(diào)整電路工作的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)之間的臨界狀態(tài)為BCM 狀態(tài)。

模態(tài)1：t0～t1

當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，us=0，由式（1）可知uD=Uo，uL=Ut。在開關(guān)管導(dǎo)通期間，即在ton時(shí)間內(nèi)，如圖5 所示，電感電壓等于Ui，且保持不變，電感電流按一定系數(shù)增長(zhǎng)。 根據(jù)電感元件的性質(zhì)以及其電壓和電流關(guān)系，可知在ton時(shí)間內(nèi)，電感電流的增量為

模態(tài)2：t1～t2

在開關(guān)器件關(guān)斷期間，即在toff時(shí)間內(nèi)，在輸入電壓和電感的自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，二極管開始導(dǎo)通，所以其兩端電壓uD=0，由式（1）可知us=Uo，uL=Ui-Uo，由于在Boost 電路中Uo>Ui，所以u(píng)L>0，電感電流按一定系數(shù)下降。

模態(tài)3：t2～t3

DCM 狀態(tài)時(shí)，在t2～t3這段時(shí)間內(nèi)，電感電流始終為0，根據(jù)電感電流和電感電壓的關(guān)系可知，電感兩端電壓uL=0，根據(jù)式(1)可得uD=Ui-Uo，us=Ui。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證提出的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性，本文對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，表1 是10.5kW 燃料電池DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)要求。轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)開關(guān)頻率的選取至關(guān)重要，太低的開關(guān)頻率會(huì)增加系統(tǒng)的電路的設(shè)計(jì)難度，進(jìn)而增加整個(gè)系統(tǒng)的體積，太高的開關(guān)頻率會(huì)增加系統(tǒng)的開關(guān)損耗，開關(guān)損耗的增加意味著系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。考慮到以上原因，最終確定系統(tǒng)開關(guān)頻率為5kHz。

表1 10.5kW 燃料電池DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)要求

表2 仿真DC/DC 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)工作于CCM 模式，其傳遞函數(shù)為：

此時(shí)系統(tǒng)是四階系統(tǒng)，求解其特征方程，可以得到一對(duì)具有負(fù)實(shí)部的共軛負(fù)責(zé)，所以系統(tǒng)工作于CCM 模式時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

當(dāng)系統(tǒng)工作于DCM 模式，其傳遞函數(shù)為：

此時(shí)系統(tǒng)是三階系統(tǒng)，求解其特征方程，不存在共軛負(fù)根，所以系統(tǒng)工作于DCM 模式時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。

仿真電壓輸出結(jié)果如圖5 所示，電壓穩(wěn)定輸出473V，紋波電壓為1V，系統(tǒng)紋波系數(shù)為0.2%，符合系統(tǒng)的電壓紋波要求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作無(wú)振蕩，有效的延長(zhǎng)了燃料電池的使用壽命。

圖5 仿真電壓輸出波形

仿真電流輸出結(jié)果如圖6 所示，輸入電力穩(wěn)定在100V，紋波小于0.2A，抑制紋波的效果非常明顯，符合系統(tǒng)的輸入電流的要求，有效的改善了燃料電池的工作環(huán)境。

圖6 仿真電流輸出波形

以上結(jié)果表明，本文所提出的增加輸入濾波電感和π 型緩沖電路的DC/DC 系統(tǒng)，能夠有效降低輸入電流和輸出電壓的紋波，改善燃料電池的工作環(huán)境，延長(zhǎng)燃料電池的壽命。

4 結(jié)論

本文提出了一種可以有效減小輸入電流和輸出電壓紋波的燃料電池汽車用DC/DC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于三相交錯(cuò)式Boost結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了輸入濾波電感和π 型緩沖電路，該系統(tǒng)基于非隔離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度，減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積；采用交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)，有效提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了增加輸入濾波電感和π 型緩沖電路，可以有效的減小了輸入電流和輸出電壓的紋波。