燃料電池汽車用新型交錯式DC/DC 系統的研究

李亞涵 孫 飛

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 概述

因具有良好的環保特性及運行性能，燃料電池被廣泛應用于新能源汽車行業，并且已經帶來了巨大的經濟效益，然而在創造經濟效益的同時，燃料電池的缺陷日益突顯，如輸入輸出紋波大等問題引發了廣泛關注。為了解決這樣的問題，許多學者在DC/DC 拓撲結構上進行了研究。

目前，國內已經有多種燃料電池DC/DC 系統，文獻[3]中提到了四相交錯式Boost 升壓拓撲結構，該拓撲采用多相交替導通策略，低功率需求時，部分相導通，降低了功率損失，提高了轉換效率，但該拓撲中器件總數過多，導致其體積大、功率密度低，此外，該拓撲在進行控制時采用四相交錯技術，控制難度大；文獻[4]中提到了雙Boost 升壓拓撲結構，該拓撲中開關器件較少，且兩個開關器件只需要相同的PWM 驅動即可，但該拓撲升壓等級較低，且輸入電流紋波存在尖峰，會減少質子交換膜燃料電池的使用壽命；文獻[5]中提到了兩級式升壓拓撲結構，前級為兩相交錯式Boost 結構，后級為自耦全橋升壓結構，該拓撲在一定程度上可以減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，但也存在開關器件多，功率損耗多的問題，且拓撲中含有變壓器，結構復雜，實現難度較大。

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式Boost 結構的新型DC/DC 結構，該拓撲在三相交錯式Boost 結構的基礎上增加了輸入側濾波電感和π 型緩沖電路，有效抑制了輸入電流紋波和輸出電壓紋波，提高了開關頻率，通過仿真驗證了拓撲的可行性。

2 電路原理分析

傳統交錯式Boost 的拓撲結構如圖1 所示。

圖1 傳統交錯式Boost 變換器

本文在傳統交錯式Boost 結構的基礎上引入了輸入濾波電感和 型緩沖電路，該結構的加入可以最大程度地降低DC/DC系統的輸入輸出紋波。為了防止開關器件被導通時產生的尖峰電流破壞，本文為開關器件設計了RCD 吸收電路，RCD 電路的設計可以很好的吸收開關器件導通產生的尖峰電流和電壓，起到保護開關器件和主電路的作用，同時可以降低系統的有功損耗，提高變換器的轉換效率。增加RCD 吸收電路的拓撲結構如圖2 所示。

圖2 優化后的Boost 變換器

三相交錯式Boost 拓撲結構其本身的計算和單相Boost 電路類似，為了降低設計的復雜程度，本文將其簡化為單相Boost電路計算。

由于開關器件的存在，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，控制開關器件的導通和關斷，進而控制電路實現升壓的功能。當PWM 的占空比不同時，電路也會工作在不同的狀態，電路三種狀態如圖3(a)、(b)、(c)所示。

圖3 Boost 變換器電路的3 個工作狀態

如圖4 中所示，根據基爾霍夫定律可得

圖4 Boost 電路在CCM(左)和DCM(右)狀態時工作波形

當電路正常工作時，如果只出現了狀態1 和狀態2，此時，電路工作在CCM 狀態，如果出現狀態1 和狀態2 的同時，出現了狀態3，那么電路就工作在DCM 狀態，可以通過調整電路參數或者PWM 驅動信號的占空比，調整電路工作的狀態，這兩種狀態之間的臨界狀態為BCM 狀態。

模態1：t0～t1

當開關器件導通時，us=0，由式（1）可知uD=Uo，uL=Ut。在開關管導通期間，即在ton時間內，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增長。 根據電感元件的性質以及其電壓和電流關系，可知在ton時間內，電感電流的增量為

模態2：t1～t2

在開關器件關斷期間，即在toff時間內，在輸入電壓和電感的自感電動勢的作用下，二極管開始導通，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uL>0，電感電流按一定系數下降。

模態3：t2～t3

DCM 狀態時，在t2～t3這段時間內，電感電流始終為0，根據電感電流和電感電壓的關系可知，電感兩端電壓uL=0，根據式(1)可得uD=Ui-Uo，us=Ui。

3 仿真分析

為了驗證提出的的拓撲結構的有效性，本文對拓撲進行了仿真實驗，表1 是10.5kW 燃料電池DC/DC 系統技術要求。轉換效率，系統開關頻率的選取至關重要，太低的開關頻率會增加系統的電路的設計難度，進而增加整個系統的體積，太高的開關頻率會增加系統的開關損耗，開關損耗的增加意味著系統的轉換效率會下降?？紤]到以上原因，最終確定系統開關頻率為5kHz。

表1 10.5kW 燃料電池DC/DC 系統技術要求

表2 仿真DC/DC 系統技術參數

當系統工作于CCM 模式，其傳遞函數為：

此時系統是四階系統，求解其特征方程，可以得到一對具有負實部的共軛負責，所以系統工作于CCM 模式時系統不穩定。

當系統工作于DCM 模式，其傳遞函數為：

此時系統是三階系統，求解其特征方程，不存在共軛負根，所以系統工作于DCM 模式時系統穩定。

仿真電壓輸出結果如圖5 所示，電壓穩定輸出473V，紋波電壓為1V，系統紋波系數為0.2%，符合系統的電壓紋波要求，系統可以穩定工作無振蕩，有效的延長了燃料電池的使用壽命。

圖5 仿真電壓輸出波形

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

圖6 仿真電流輸出波形

以上結果表明，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，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境，延長燃料電池的壽命。

4 結論

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，該系統基于三相交錯式Boost結構設計，增加了輸入濾波電感和π 型緩沖電路，該系統基于非隔離式結構設計，降低了設計難度，減小了整個系統的體積；采用交錯式結構，有效提高了系統的開關頻率。通過仿真實驗，驗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。