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燃料电池DC-DC变换器研究分析

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摘要：燃料电池DC-DC是燃料电池应用于汽车领域的关键。提出了一种三相交错并联Boost变换器，反馈采用基于PI调节的电压、电流双闭环控制，电路工作在恒压限流模式。仿真结果表明该结构能够实现稳定输出、低电流纹波，负载突变时能在0.03s内迅速响应，输出电流限制在18A以内，输入电流纹波率小于0.125，理论效率为95%，为实际应用提供了参考。

关键词：燃料电池；DC-DC；PI调节；双闭环

0背景

电动汽车技术的突飞猛进，但其电源稳定性和续航里程上的缺陷，致使发展受限。燃料电池具有高效率、大容量、启动快等优势[1]，续航里程可以达到燃油车的标准，甚至更高，氢气罐损坏，氢气出现泄漏会迅速向外扩散，氢气罐压力骤减，避免了爆炸事故的发生。

1拓扑结构设计

DC-DC变换器分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型变换器具有高稳定性，但效率差，成本高，非隔离型变换器结构简单，成本低，效率高。选非隔离型boostDC-DC变换器。与cuk和sepic电路电路相比，电路结构更简单，与Buck-boost电路相比，输出纹波更小[2]。

1.1DC-DC变换器主电路设计

燃料电池具有弱惯性，易受负载波动影响，不能直接与负载端连接。交错并联结构具有良好的减小电流纹波的作用，减小纹波的能力随着交错相数的增加而增大。考虑DC-DC变换器实际体积与成本，选取三相交错并联Boost为基本拓扑结构，如图1所示。

图1三相交错并联boost拓扑结构

相同功率下，三相交错并联boost各相输出电流Io’=Io/3，每相电感值LN=3L，电感值与负载电流成反比，考虑场效应管发热P=IRMS2×RDS,。所以采用多相交错结构可以有效减少DC-DC变换器尺寸，同时可以减少开关损耗[5]。

1.2控制器设计

图2电压、电流双闭环控制结构

控制器设计采用电压电流双闭环模式，电流环为内环，控制方式采用恒压限流模式，当输出电流小于给定电流时，电流环相当于开环控制，其PI调节器为最大输出，电压环为恒压控制，当输出电流达到给定值时，电流环构成闭环，拉低输出电压，电压环构成开环，从而达到恒压限流输出。

2.状态空间模型建立

三相交错并联boost工作在连续导通模式，定义电感电流为xi，i=1,2,3，电容电压为x4,开关导通和关断时，应用Kirchhoff电压、电流定律，分别分析理想状态下图1的状态[5]。

开关导通期间dT：

开关关断期间(1-d)T：

状态空间方程：

3.电路参数设计

3.1磁性元件设计

电感是DC-DC变换器的核心元件，燃料电池输出电压宽（80V-110V之间），DC-DC变换器设计应能承受最大输入电压情况下，boost变换器最恶劣输入电压为VINMIN达到最大[6],电感应在VINMIN处设计。

依据伏秒平衡，

电感电流方程，

可以推导出，

电流纹波率，

电感值,

电感峰值电流。

3.2输出电容选择

输出电容选择时额定纹波电流要不小于输出最大有效值电流[7]。

4.仿真

燃料电池输出功率为10kW、电压在80V~110V之间，DC-DC仿真在最恶劣电压下（Vin=80V），每相电感值L=0.84mH，开关频率为20k，最大占空比为0.76,输出电容取值9.4×10-3F,电路工作前先将输出电容电压预充到80V，仿真波形如下。

图3三相电流波形

从仿真结果可以看出，该结构DC-DC变换器输出电压稳定在324V，相对误差为1.8%，能更好的实现升压稳压功能，三相电感电流相位依次相差120°，输入电流IAC为4A，电流纹波率r=0.125，在3.02s时突加输出功率，来仿真输出电压波形来看，输出电压能在0.03s达到稳态，响应速率快，DC-DC变换器工作效率约为95%。

5结论

针对燃料电池的软输出特性，以及燃料电池汽车功率需求，本文设计了一种基于PI调节，电压、电流双闭环控制的三相交错并联boost结构，该结构能实现恒压限流输出，防止出现电容击穿故障，同时使输入电流纹波率降至0.125，减小了电感体积。

图4输入电流纹波

图5输入、输出电流波形

图6突加负载时输出电压响应

Reference：

[1]李果,毋茂盛,余达太.燃料电池输出功率的预测控制[J].电源技术,2004,28(6):348-350.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009:119-139.

[3]王跃,高大威.燃料电池汽车交错式双boostDC/DC变换器的仿真研究[C]//2014中国汽车工程学会年会论文集.2014:82-85.

[4]SanjayaManiktala.精通开关电源设计[M].人民邮电出版社,2015:357-367.

[5]张兴.低电流纹波高动态响应交错并联BOOST变换器的研究[D].哈