多相峰值電流控制的燃料電池通信電源設計

游志宇， 陳維榮， 李 奇， 戴朝華， 陶詩涌

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

多相峰值電流控制的燃料電池通信電源設計

游志宇， 陳維榮， 李 奇， 戴朝華， 陶詩涌

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

針對目前通信電源系統存在的缺點及燃料電池良好的應用前景，提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統設計方法，替代了傳統鉛酸蓄電池通信電源系統，減少了對環境的污染，而且所采用的多相峰值電流控制策略能夠通過將電流均分到多個功率通道，降低功率器件的傳導損耗及熱壓力，提高系統效率，實現多相大功率B oo st變換器設計，解決燃料電池輸出特性較軟以及目前大功率B oo st變換器設計存在的不足。根據所建立的B oo st變換器電路模型，仿真證明該B oo st變換器具有較低的輸出電壓、電流紋波，而且在此基礎上研制出一臺3 k W的燃料電池通信電源系統樣機，實驗測試結果表明該B oo st變換器效率較高，輸出電壓、電流紋波及噪音低，能夠滿足通信電源標準規定的各項技術指標要求。

燃料電池；通信電源；B oo st變換器；多相；峰值電流

近年來，隨著全球能源短缺與環保問題的日益突出，新能源的應用研究已受到世界各國的大力關注，因此開展清潔、環保的新型能源應用研究具有重要意義[1]。燃料電池由于功率密度高、潔凈、無污染的優點而成為具有吸引力的新能源之一，近年來得到了世界各國的高度重視和大力資助[2]。

隨著通信技術的快速發展，通信電源得到了廣泛的應用。傳統的通信電源系統一般包含市電電源轉換系統和備用電源系統兩大部分[3]，其中備用電源系統一般采用鉛酸蓄電池組，在市電停電或故障時為通信設備提供運行的備用電源，保障通信設備短時間內的正常運行，其缺點是體積大、笨重、使用壽命短、廢棄后造成一次和二次環境污染、備電時間有限且有不確定性、對環境溫度要求苛刻。鑒于鉛酸蓄電池作為備用電源系統存在的缺點，加之能源危機和人們環保意識的提高，研發基于燃料電池的通信電源系統有著廣闊的應用市場。由于燃料電池直接將燃料的化學能轉化為電能，不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，清潔、無污染、噪聲低，比功率高，逐漸被公認為能夠取代蓄電池作為通信電源系統中的備用電源，成為通信電源技術發展的一個重要方向[4]。

燃料電池雖具有諸多優點，但也存在一些不足，例如其輸出特性較軟、動態響應慢、輸出電壓波動較大[5]，而且啟動時需要輔助電源，難以與負載直接連接。為了克服燃料電池存在的以上問題，需要通過在燃料電池輸出端連接一個DC/DC變換器[6-9]，使其輸出電壓穩定在規定的范圍內。目前大功率DC/DC變換器一般采用單相變換器或多個單相變換器并聯的方式[10-12]，這種方式存在功率器件選擇面窄，輸出電壓、電流紋波高，噪音大，輸出端電容、電感大，電路復雜等缺點。本文結合燃料電池的特性以及目前大功率Boost變換器方案存在的缺陷，提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統設計方法。該方法將電流均分到多個功率通道，以降低功率器件的傳導損耗及熱壓力，實現系統效率的提高。本文采用LTspice IV軟件對所提出的6相峰值電流控制Boost變換電路模型進行了建模和仿真，對多相峰值電流控制Boost變換器性能進行了驗證，最后根據仿真結果和總體方案研制了一臺3 kW多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統樣機，并對提出的整機系統進行了實驗驗證。

1 系統結構及工作原理

1.1 燃料電池的特點

燃料電池是一種高效的電化學能量轉換裝置，它直接將燃料的化學能轉化為電能。只要有燃料和氧化劑不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產生電能。燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體（即氣體或液體），常用的燃料為純氫氣、重整氣、甲醇等，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等。氫燃料在燃料電池的陽極發生氧化反應，生成離子和電子；離子通過電解質遷移到陰極，電子通過外電路遷移到陰極為外界負載提供電能；遷移到陰極的離子、電子和陰極處的氧化劑結合生成水隨尾氣排出[13]。兩個電極發生的電化學反應方程如下：

燃料電池具有高效率、零或超低排放、安靜、安全、可靠等優點，且燃料電池發電裝置直接輸出直流電，非常適用于直流負載系統。但燃料電池的輸出特性較軟，存在輸出電壓隨著輸出電流的增加而降低，供電時動態響應慢、輸出電壓波動大，負載變化時輸出電壓不穩定等諸多問題[5]。因此，燃料電池不可能向蓄電池那樣直接通過串聯、并聯方式對直流負載系統直接供電，它總是先通過DC/DC變換器后再與直流負載連接，或再通過逆變器后接交流負載[6-7]。另外燃料電池在啟動時需要外部提供啟動輔助電源，一般配置小容量的蓄電池作為燃料電池啟動時輔助系統的供電和啟動時對負載系統的短時支撐。

1.2 燃料電池通信電源系統的結構及工作原理

1.2.1 系統結構

傳統通信電源系統一般由市電電源轉換系統和備用電源系統兩大獨立部分組成，而備用電源系統一般由大容量鉛酸蓄電池組構成，存在備電時間短、體積大、壽命短、難于進行二次回收再利用等缺點。由于通信設備的工作電源通常是48 V直流[4]，而燃料電池輸出的正好是直流，這使得燃料電池非常適用于通信電源系統中。

根據燃料電池輸出特性及通信電源系統的特點，基于燃料電池的通信電源系統結構原理框圖如圖1所示。整個系統主要由市電供電回路、燃料電池供電回路、鋰電池供電回路、系統控制單元及人機接口組成。

市電供電回路由AC/DC變換器、AC/DC控制單元組成，實現對市電有無電的監測、市電220 V到直流48 V的轉換、AC/DC變換器的控制、市電供電回路狀態參數的檢測等功能，并與系統控制單元實時通信，傳輸控制命令及參數。

圖1 燃料電池通信電源系統結構框圖

燃料電池供電回路包含燃料電池發電系統和燃料電池發電控制器。其中燃料電池發電系統包括與其相連接的氫氣供應系統、空氣供應系統、水循環系統、排氣系統、燃料電池堆等[14]；燃料電池發電控制器實現燃料電池的發電控制、燃料電池系統壓力、溫度、電壓、電流等參數的采集，并通過CAN總線與系統控制單元進行通信，接收系統控制單元下發的控制命令、上傳采集的電壓、電流、壓力、溫度等參數給系統控制單元。

鋰電池供電回路由鋰電池充電管理單元、鋰電池組組成。鋰電池組主要用于燃料電池系統啟動時為燃料電池提供輔助電源，同時在市電供電回路和燃料電池供電回路切換期間，提供短暫的負載功率支撐，并在燃料電池供電時為負載突變提供功率補償[15]；鋰電池充電管理單元在檢測到鋰電池組的SOC值低于設定值時，對鋰電池組進行充電。

系統控制單元實現整個通信電源系統的控制管理，協調各功能單元自動工作，接收遠端控制系統下發的控制命令，采集電源系統的所有參數并通過人機接口進行顯示處理及上傳到遠端監控設備。系統控制單元與AC/DC控制單元、DC/DC控制單元、燃料電池發電控制器、蓄電池充電管理單元及人機接口實時通信，并進行數據/命令傳輸，實現各單元的協調自動工作。

在系統結構框圖中，燃料電池發電系統和系統直流總線之間使用單向DC/DC變換器，輔助鋰電池直接與系統直流母線相連接。燃料電池的輸出電壓通過DC/DC變換器的升壓或者降壓與系統直流母線的電壓等級進行匹配，這樣就使燃料電池功率輸出能力與系統直流母線電壓間不存在直接耦合關系，而且DC/DC變換器可將直流母線的電壓維持在通信設備運行的范圍內。

1.2.2 系統工作原理

系統控制單元是系統控制的核心，它控制整個系統的自動運行及各供電回路的自動切換、系統狀態參數采集及人機交互。電源系統的運行模式可以分為：啟動工作模式、交流電供電模式、鋰電池供電模式（即轉鋰電池供電，燃料電池啟動工作模式）、燃料電池供電模式（即轉燃料電池供電，鋰電池做功率補償模式）、燃料電池轉交流供電暫態工作模式（即恢復交流電供電過渡工作模式），各工作模式自動切換轉移圖如圖2所示。

圖2 工作回路自動切換轉移圖

電源系統啟動后，當系統監測到市電供電正常時，系統控制單元啟動市電供電回路對負載供電，停止燃料電池供電回路工作，同時在鋰電池充電管理單元控制下對鋰電池組充電；當系統在監測到市電停電時，系統控制單元啟動鋰電池供電回路對負載供電，同時切斷市電供電回路，啟動燃料電池發電系統開始發電。在燃料電池輸出穩定后切換到燃料電池供電回路對負載供電，鋰電池供電回路僅作為負載功率突變的功率補償，并在鋰電池充電管理單元控制下對鋰電池組充電；當電源系統監測到市電供電回路、燃料電池供電回路均故障時，自動切換到蓄電池供電回路對負載供電，并產生報警信息上傳至遠端人工值班系統，在鋰電池組電壓低于保護閥值時切斷負載供電，整個電源系統停止工作。

2 多相峰值電流控制DC/DC變換器

由于燃料電池輸出電壓較低，為得到較高的電壓增益，需要采用Boost變換器將燃料電池輸出的電壓進行升壓。在燃料電池通信電源系統中，Boost變換器除了起升壓作用外，還保持輸出電壓在負載變化時穩定在額定值范圍內。目前常見的大功率Boost變換器有兩種解決方案：一種是采用單相大功率Boost變換器，這種方案功率器件的熱壓力較大，可選擇的功率器件面窄，輸出端濾波電容、電感較大，輸出電壓、電流紋波和噪音較大；另一種是采用多個單相Boost變換器和一個外部均流管理電路，構成一個并聯的大功率Boost變換器，外部均流管理電路實現多個并聯通道的電流均衡，此方案可以降低器件的熱壓力，但需要外部均流電路，實現比較復雜。基于現有Boost方案存在的缺陷，本文采用多相峰值電流控制策略，將電流均分到多個功率通道，降低功率器件的傳導損耗及熱壓力，提高系統效率，實現多相大功率Boost變換器，使得變換器輸出電壓、電流紋波及噪音低，輸出濾波電容、電感小，功率器件熱壓力低。

本文采用3個非同步多相控制器構成6相Boost變換器，將電流均分到6個功率通道，降低每個功率通道的傳導損耗，同時系統熱壓力在更多功率器件及更大的電路板面積上均分，使得功率器件選擇面更寬。每個非同步多相控制器具有兩個以180°反相工作的功率級，每個功率級都由一個電感、MOSFET、肖特基二極管和電流檢測電阻組成，這兩個功率級相位是完全平衡的，具有嚴格的電流限制門限、以及高度準確的誤差放大器輸出到電流檢測比較器輸入的轉移函數，保證與電感峰值電流匹配保持準確，從而實現在多相中強制電流平衡。在LTspice IV中建立了6相峰值電流控制的Boost變換器電路模型，如圖3所示。

圖3 6相B oo st變換器電路模型

在6相峰值電流控制的Boost變換器電路模型中，采用3個非同步多相控制器通過級聯構成6相Boost變換器，使得通道之間相位差為30 ，非同步多相控制器的運行控制Run、電壓反饋FB、誤差補償ITH、軟啟動SS等控制信號直接并聯在一起，工作頻率均設置為相同的固定頻率100 kHz，并將作為主控的非同步多相控制器同步時鐘輸出連接到第一個從控制器的同步時鐘輸入端，第一個從控制器的同步時鐘輸出接到第二個從控制器的同步時鐘輸入端。仿真時設主輸入電源為30 V，控制器電源為12 V電源，模型輸出電壓設置為48 V，負載電流設置為74 A，電感為4.9μH，仿真時間為2ms進行仿真，輸出電壓、電流的仿真波形如圖4所示。其中V(in)是輸入電壓，V(out)是輸出電壓，I(RLoad)是負載電流。從仿真波形可以看到輸出電壓為48 V，電壓峰峰值為0.235 V，輸出負載電流為74 A，電流峰值為0.354 A。

圖4 30 V輸入時6相B oo st變換器輸出電壓/電流波形

通過設置不同的輸入電壓進行仿真測試，得到不同輸入電壓下輸出電壓、電流的最大值、最小值及峰-峰值如表1所示。從表1可以看出，6相Boost變換器的輸出電壓、電流紋波非常低，滿足大功率Boost變換器設計的要求。

表 1 不同輸入電壓下輸出電壓電流的最大及最小值

3 系統樣機設計及測試

根據提出的多相峰值電流控制方法和系統結構原理圖，研制了一套3 kW的燃料電池通信電源系統樣機。樣機選用的燃料電池堆輸出電壓范圍為30～40 V，凈輸出功率為3.5 kW，6相峰值電流控制的Boost轉換器最大功率為3 kW。

系統控制單元采用C8051F040單片機做主控制器，主控制器實時采集電源系統的狀態參數，并根據系統狀態控制系統自動運行。系統控制單元與燃料電池控制器采用CAN通信，進行數據、命令的傳輸，系統控制單元實時提供Boost變換器輸出的電壓、電流給燃料電池發電控制器，燃料電池發電控制器根據目前獲取的電壓、電流及燃料電池系統的氫氣壓力、溫度、濕度等參數，實時調節燃料電池堆的功率輸出，以滿足負載的需要。構建的樣機實物如圖5所示。

圖5 6相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統樣機

本文重點關注多相峰值電流控制的Boost變換器，利用10 kW電子負載代替通信設備，對Boost變換器進行效率測試，在不同輸入電壓的情況下采集多組數據得到的效率曲線如圖6所示。從效率曲線可以看出在輸出功率達到500W后，燃料電池供電回路的效率都在90%以上，最高效率達到95%。

圖6 Boost變換器效率曲線

4 結論

針對目前通信電源系統存在的缺點及燃料電池良好的應用前景，本文提出一種基于多相峰值電流控制的燃料電池通信電源系統設計方法，替代了傳統鉛酸蓄電池通信電源系統，減少了對環境的污染。隨著功率密度的不斷提高，多相Boost變換器將成為保持輸入電流可管理，提高效率的必然選擇。本文提出的多相峰值電流控制Boost變換器，將電流均分到多個功率通道，降低了功率通道的傳導損耗，減小了輸出端電容大小，使得輸出電壓、電流紋波低，噪音小，組件的熱壓力小，功率器件選擇面廣，系統效率高。研制的燃料電池通信電源系統樣機性能穩定，各項指標滿足通信電源標準的規定。隨著燃料電池技術的發展，燃料電池制造成本的下降，配套設施的逐漸完善，燃料電池作為一種高效節能、環境友好的發電裝置，將會在通信行業中得到廣泛的應用。

[1]JIANG B,SUN ZQ,LIU M Q.China'senergy devel opment strategy under the low-carbon economy[J].Energy,2010,35(11):4257-4264.

[2] ABBOTT D.Keeping the energy debate clean:How do we supply theworld’senergy needs[J].IEEE,2010,98(1):42-46.

[3] 徐小濤.現代通信電源技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[4] 曹長松.燃料電池在通信電源中的應用[J].通信電源技術,2012,29（1）:53-57.

[5] JIA J，WANG Y，LIAN D.Matlab/Simulink based-study on PEM fuel celland battery hybrid system[C]//Proceedings of 2008 10thIntl Conf on Control,Automation,Robotics and Vision Hanoi.Vietnam: 10thIntl Conf on Control,Automation,Robotics and Vision Hanoi, 2008:2108-2113.

[6] 姜志玲,陳維榮,游志宇,等.用于燃料電池的前級DC/DC變換器[J].電力電力技術,2010,44（6）:67-68.

[7] GEORGAKIS D，PAPATHANASSIOU S，MAINAS S.Modeling and control of a small scale grid-connected PEM fuel cell system [C]//Proceedings of PESC Record-IEEE Annual Power Electronics SpecialistsConference.Brazil:IEEEAnnual Power Electronics SpecialistsConference，2005：1614-1620.

[8] WANG C，NEHRIR M H，GAO H.Control of PEM fuel cell distributed generation systems[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2006，21（2）：586-595.

[9]PALMA L，ENJETIP.A modular fuel cell,modular DC/DC converter concept for high performance and enhanced reliability[C]//Proceedings of PESC Record-IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference.Orlando,Florida:IEEE Annual Power Electronics SpecialistsConference,2007：2633-2638.

[10] 陳武,阮新波,顏紅.DC/DC多模塊串并聯組合系統控制策略[J].電工技術學報,2009,24(7):93-102.

[11]盧偉國,周雒維,羅全明.反饋穩定控制電流模式DC/DC變換器[J].電工技術學報,2011,26(3):80-87.

[12]肖文英,戴日光.寬輸入高增益隔離升壓型DC/DC變換器[J].電源技術,2012,36(8):1147-1151.

[13]JAMES L,ANDREW D.Fuel Cell Systems Explained[M].Chichster：JohnW iley&Sons Ltd,2003:14-24.

[14]金科,阮新波,楊孟雄,等.復合式燃料電池供電系統[J].電工技術學報,2008,23(3):92-98.

[15]李奇,陳維榮,劉述奎,等.燃料電池混合動力車輛多能源管理策略[J].電工技術學報,2011,26(Sup.1):92-98.

《燃料電池設計與制造》

本書從系統工程、系統設計角度而非深奧的電化學、熱力學理論角度，結合實際案例，介紹了燃料電池的基本概念、系統組成和系統分類，描述了燃料電池涉及的主要基礎理論知識和關鍵技術，從工程應用角度說明了燃料電池的工作條件、堆的結構與設計、流道設計和材料要求等，提出了用于表征燃料電池關鍵性能的主要指標，論述了如何對系統進行建模與設計。全書深入淺出而又全面透徹，并在每章末尾提出了若干引導讀者進一步思考和討論的問題。

Design of fuel cell communication power system based on multi-phase peak currentmode control

YOU Zhi-yu,CHENWei-rong,LIQi,DAIChao-hua,TAO Shi-yong
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

A fuel cell communication power system design based on multi-phase peak current mode control was proposed to replace the traditional lead-acid battery communication power system for the shortcomings of communications power systems and the good application prospects of the fuel cell, which has reduced the transmission loss and thermal pressure of the power device and improved the efficiency of the system,achieved multi-phase high power Boost converter design as well as solved the soft-output characteristics of the fuel cell and the high-power Boost converter design shortage. A model of a Boost converter circuit was established and the simulation results demonstrate that the boost converter has a low output voltage ripple and current ripple. In additional, a 3 kW fuel cell system of communication power prototype based on this new system was given. Experimental results prove the Boost converter with high efficiency, low output voltage ripple, current ripple and noise,can meet the requirement of the communication power standard.

fuel cell;communication power;Boost converter;multi-phase;peak current

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-1989-04

2013-04-04

國家自然科學基金(51177138)；高等學校博士學科點專項科研基金 (20100184110015)；鐵道部科技研究開發計劃(2012J012-D)；四川省國際科技合作與交流研究計劃(2012HH0007)；中央高校基本科研業務費專項資金(SWJTU11CX030)

游志宇(1980—)，男，四川省人，博士研究生，主要研究方向為新能源技術及其應用、混合動力系統能量管理技術。