用于燃料電池汽車的雙向DC-DC變換器

魏　星，黃洪全，湯云駿，許　煒

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

用于燃料電池汽車的雙向DC-DC變換器

魏星，黃洪全，湯云駿，許煒

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

燃料電池在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中隨著電流變化電壓波動(dòng)較大，需要在燃料電池上并聯(lián)一個(gè)超級(jí)電容來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。超級(jí)電容作為輔助儲(chǔ)能模塊通過(guò)雙向DC/DC變換器與直流母線連接，能夠有效改善燃料電池輸出特性。利用移相全橋-倍流整流雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)燃料電池和超級(jí)電容間的能量傳遞，制作樣機(jī)并取得預(yù)期結(jié)果。

燃料電池；超級(jí)電容；電動(dòng)車；雙向DC/DC變換

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)車電源主要是鉛酸電池，其能量和重量性能比低，不能滿足電動(dòng)車的發(fā)展要求。燃料電池具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊湊、電流密度高、工作溫度低、使用無(wú)毒性固態(tài)電解質(zhì)膜等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用［1］。然而燃料電池是一個(gè)非線性變參數(shù)的純滯后系統(tǒng)，當(dāng)輸出電流較大時(shí)，輸出電壓下降較快。燃料電池電壓-電流特性如圖1所示，因此其存在帶負(fù)載能力較差，輸出功率不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，一般的解決方案是在燃料電池上并聯(lián)超級(jí)電容來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。超級(jí)電容有著充電速度快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、大電流放電能力強(qiáng)、功率密度高、檢測(cè)方便和容量范圍大等特點(diǎn)，能在電動(dòng)汽車加速時(shí)提供額外的所需功率，制動(dòng)時(shí)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量快速的存儲(chǔ)起來(lái)［2］。在超級(jí)電容和燃料電池之間加入雙向DC/DC變換器能夠增加汽車啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)功率并回收能量從而優(yōu)化汽車的加速和減速性能［3］。

1　移相全橋-倍流雙向DC/DC變換器原理

在電動(dòng)汽車應(yīng)用場(chǎng)合中，一般要求輸入輸出的電壓比或電流比較大，所以需要變換器有良好的電氣隔離特性。在汽車加速時(shí)，電源需要向電機(jī)提供較大電流來(lái)提供足夠的推力，同時(shí)要求較小的電壓輸出紋波，經(jīng)過(guò)分析這里采用移相全橋倍流整流雙向DC/DC變換拓?fù)洌浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是移相全橋倍流拓?fù)溲莼鴣?lái)的，將副邊的兩個(gè)二極管用開(kāi)關(guān)管代替。當(dāng)工作在正向模式時(shí)，Q5和Q6作為二極管使用，此時(shí)電路就是普通的移相全橋倍流拓?fù)洌_(kāi)關(guān)管Q1和開(kāi)關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)PWM波形互補(bǔ)且有一定的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)管Q2和開(kāi)關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)PWM波形互補(bǔ)也有一定的死區(qū)時(shí)間，通過(guò)調(diào)節(jié)兩對(duì)PWM之間的相位差來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓［4］。當(dāng)工作在反向模式時(shí)，變壓器原邊側(cè)四個(gè)開(kāi)關(guān)管可視為二極管并構(gòu)成全橋整流電路，開(kāi)關(guān)管Q5和開(kāi)關(guān)管Q6的驅(qū)動(dòng)PWM波形相位相差半個(gè)周期且有著相同的占空比。

1.1正向工作模式狀態(tài)分析

移相全橋在工作時(shí)為了避免同一橋臂上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，使變壓器原邊側(cè)短路，需要在開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形中加入死區(qū)，這里為了方便起見(jiàn)，忽略死區(qū)時(shí)間的影響。正向工作模式時(shí)的四個(gè)工作狀態(tài)如圖3所示。

狀態(tài)（a）：開(kāi)關(guān)管Q1和開(kāi)關(guān)管Q4同時(shí)導(dǎo)通。直流電源U1、Q1、Q4和變壓器原邊組成回路，變壓器原邊向負(fù)載提供能量。在變壓器副邊側(cè)則需要開(kāi)關(guān)管Q5關(guān)斷，Q6導(dǎo)通。副邊繞組的電流通過(guò)L1，電感L2進(jìn)行續(xù)流。

狀態(tài)（b）：開(kāi)關(guān)管Q1保持導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Q4關(guān)斷，同時(shí)開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管Q1、開(kāi)關(guān)管Q2和變壓器原邊組成續(xù)流回路，繼續(xù)向負(fù)載提供能量。開(kāi)關(guān)管Q5和開(kāi)關(guān)管Q6同時(shí)開(kāi)通，提供續(xù)流通道。

狀態(tài)（c）：開(kāi)關(guān)管Q2和Q3導(dǎo)通。此時(shí)變壓器副邊電壓為負(fù)。此時(shí)需要變壓器副邊側(cè)開(kāi)關(guān)管Q5導(dǎo)通，Q6關(guān)斷。變壓器副邊電流通過(guò)L2輸出到負(fù)載，電感L1則通過(guò)Q5續(xù)流。

狀態(tài)（d）：開(kāi)關(guān)管Q3和Q4導(dǎo)通，Q3、Q4和變壓器原邊繞組組成續(xù)流回路，繼續(xù)向負(fù)載提供能量。開(kāi)關(guān)管Q5和Q6再次同時(shí)導(dǎo)通，電感L1和L2分別通過(guò)Q5和Q6續(xù)流。

正向工作模式下電壓電流波形圖如圖4所示。

圖4　正向工作電路主要波形

1.2反向工作模式狀態(tài)分析

分析反向工作模式時(shí)，可將移相全橋四個(gè)開(kāi)關(guān)管可視為二極管組成一個(gè)全橋整流電路。開(kāi)關(guān)管Q5和Q6的驅(qū)動(dòng)波形相同且相差半個(gè)周期，且均大于50%［5］.反向同步整流模式時(shí)狀態(tài)如圖5所示。此處省去變壓器原邊電路圖。

圖5　反向工作模式

狀態(tài)（a）：開(kāi)關(guān)管Q5和Q6均關(guān)斷；電源U2給電感L1和L2充電。

狀態(tài)（b）：開(kāi)關(guān)管Q5開(kāi)通，Q6保持關(guān)斷；電源U2、變壓器副邊繞組和電感L2組成回路向負(fù)載供電，此時(shí)電源U2和電感L2同時(shí)向負(fù)載傳遞能量，電感L1繼續(xù)充電。

狀態(tài)（c）：開(kāi)關(guān)管Q5關(guān)斷，Q6由關(guān)斷轉(zhuǎn)為開(kāi)通；電源U2、變壓器原邊和電感L1組成回路想負(fù)載供電，此時(shí)電源U2和電感L1同時(shí)向負(fù)載傳遞能量，電感L2開(kāi)始充電。

經(jīng)過(guò)以上分析可得變壓器副邊各器件波形圖如圖6所示。

圖6　反向工作波形

2　雙向移相全橋DC-DC變換器的小信號(hào)建模

由于設(shè)計(jì)的雙向DC-DC變換器有非線性器件的存在，所以都是非線性的。如果根據(jù)非線性模型來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析將會(huì)顯得非常繁瑣。小信號(hào)模型提供了一種對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法，它首先將各非線性器件用泰勒公式在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)展開(kāi)，然后忽略系統(tǒng)中二次高次項(xiàng)從而得到一個(gè)近似的線性模型。在這個(gè)模型中，對(duì)輸出量進(jìn)行控制的量和系統(tǒng)暫態(tài)性能為線性關(guān)系，因此可以用傳統(tǒng)的控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析［7］。

2.1正向工作建模

用狀態(tài)平均法對(duì)正向工作模式進(jìn)行建模。當(dāng)電路處于連續(xù)電流模式時(shí)有兩種工作狀態(tài)。

第一種工作狀態(tài)如圖7所示。

圖7　第一種工作狀態(tài)等效圖

在此工作狀態(tài)時(shí)，電源U1通過(guò)變壓器想負(fù)載供電，在時(shí)間（0，dT）內(nèi)電容電流iL（t）和電感電壓vL（t）分別為：

將公式（1）和公式（2）轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程和輸出方程可得：

第二種工作狀態(tài)如圖8所示。

圖8　第二種工作狀態(tài)等效圖

在此工作狀態(tài)時(shí)，變壓器副邊組成一個(gè)續(xù)流電路，在時(shí)間（dT，T）內(nèi)，電容電流iL（t）和電感電壓vL（t）分別為：

將公式（5）和公式（6）轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程和輸出方程可得：

對(duì)上述兩種工作狀態(tài)進(jìn)行平均后根據(jù)線性化小信號(hào)方程進(jìn)行線性化可得：

根據(jù)拉普拉斯反變換之后可得輸出量對(duì)占空比控制量的傳遞函數(shù)為：

眾所周知，移相全橋DC-DC在漏感較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)占空比丟失的情況，因此必須考慮占空比丟失對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。有效占空比可由以下格式計(jì)算得到：

由此可得雙向移相全橋DC-DC變換器正向工作小信號(hào)模型如圖9所示。

圖9　正向工作小信號(hào)模型

可以得到正向工作狀態(tài)時(shí)拓?fù)漭敵鰧?duì)控制信號(hào)的傳遞函數(shù)為：

2.2正向工作時(shí)的PID補(bǔ)償

用MATLAB繪制式2-13的波特圖發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的剪切頻率不理想，這里使用PID補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。PID補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10　正向PID補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖

其中E（s）為反饋量與輸出參考量的差值，Gc（s）為PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，Gm（s）為三角波與上一個(gè)控制器輸出值比較的比較器傳遞函數(shù)。God（s）為正向工作時(shí)拓?fù)漭敵鰧?duì)控制信號(hào)的傳遞函數(shù)。H（s）為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。為了將開(kāi)關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)環(huán)路的影響降到最低，這里取開(kāi)關(guān)頻率的十分之一進(jìn)行計(jì)算［8］。同時(shí)使用3型PI補(bǔ)償器對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。3型誤差放大器的傳遞函數(shù)為：

Gc（s）=（1+sR2C1）［1+s（R1+R3）C3］

sR1（C1+C2）（1+sR3C3）［1+sR2C1C2/（C1+C2）］（14）

取第一個(gè)零點(diǎn)位置頻率為2 kHz，極點(diǎn)位置頻率為10 kHz.要求補(bǔ)償器在2 kHz頻率處有14 dB的增益。取R1為1 kΩ，取R2為5 kΩ［9、10］.可計(jì)算補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：

補(bǔ)償后正向工作時(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Bode圖如圖11所示。

圖11　補(bǔ)償后正向工作系統(tǒng)傳遞函數(shù)Bode圖

由上圖可知，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的系統(tǒng)剪切頻率為2 kHz，相角裕度為58°，滿足設(shè)計(jì)要求。由于反向工作時(shí)建模以及補(bǔ)償方法如正向工作模式，這里不再贅述。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)額定功率600 W的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸入電壓為50 V，設(shè)計(jì)輸出電壓為120 V.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12　正向輸出波形

圖13　反向輸出波形

圖12分別為正向輸出時(shí)電感L1和電感L2的電流波形以及當(dāng)輸入端輸入50 V電壓時(shí)輸出端輸出端的電壓波形，此時(shí)倍流整流電路處于同步整流狀態(tài)，由圖可知兩個(gè)電感電流波形均為三角波且每個(gè)周期均存在著相位差，兩個(gè)電感波形在相加后可以減少部分紋波。變壓器輸出端在經(jīng)過(guò)輸出濾波器濾波后基本穩(wěn)定在120 V，電路實(shí)現(xiàn)了從50 V到120 V的電壓轉(zhuǎn)換并輸出較理想的波形。圖13為雙向DC/DC變換器反向工作時(shí)變壓器副邊開(kāi)關(guān)管Q5和Q6驅(qū)動(dòng)波形以及原邊輸出電壓波形，可見(jiàn)輸出端電壓基本保持在50 V.實(shí)驗(yàn)表明，所研制的移相全橋倍流電路雙向DC/ DC變換器能夠?yàn)殡娷囂峁┓€(wěn)定的電壓并且在反正工作時(shí)快速回收制動(dòng)能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究用于燃料電池電車的移相全橋倍流雙向DC/DC變換器，分析了此拓?fù)湓谌剂想姵仉妱?dòng)車加速以及減速時(shí)的作用以及工作原理，同時(shí)消除了在反向工作時(shí)由于變壓器副邊漏感引起的尖峰電壓。制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此拓?fù)溆糜谌剂想姵仉娷嚨姆桨甘强尚械摹?/p>

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Bidirectional DC/DC Convertor Used in Fuel-cell Electrical Vehicles

WEI Xing，HUANG Hong-quan，TANG Yun-jun，XU Wei
（College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

Output voltage of fuel cells would change with change of current，so a super capacity should be connected with it in parallel.As auxiliary energy storage module，super capacity can improve the outputcharacteristic of fuel cell effectively.This thesis chooses full bridge-current doubler DC/DC conversion topology to achieve energy bi-directional conversion between super capacity and DC bus and a prototype has been made and achieves satisfied results.

fuel cell；super capacity；electrical vehicle；bidirectional DC/DC converter

TP23

A

1672-545X（2016）07-0155-05

2016-04-13

南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：K-GX2014-047）

魏星（1989-），男，湖北咸寧人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合自動(dòng)化。