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

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧530004）

新產品開發

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

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧530004）

燃料電池在能量轉換過程中隨著電流變化電壓波動較大，需要在燃料電池上并聯一個超級電容來穩定輸出電壓。超級電容作為輔助儲能模塊通過雙向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變換器實現燃料電池和超級電容間的能量傳遞，制作樣機并取得預期結果。

燃料電池；超級電容；電動車；雙向DC/DC變換

目前市場上的電動車電源主要是鉛酸電池，其能量和重量性能比低，不能滿足電動車的發展要求。燃料電池具有環保、結構緊湊、電流密度高、工作溫度低、使用無毒性固態電解質膜等優點，在很多領域發揮著重要作用［1］。然而燃料電池是一個非線性變參數的純滯后系統，當輸出電流較大時，輸出電壓下降較快。燃料電池電壓-電流特性如圖1所示，因此其存在帶負載能力較差，輸出功率不穩定等缺點，一般的解決方案是在燃料電池上并聯超級電容來穩定輸出電壓。超級電容有著充電速度快、循環使用壽命長、大電流放電能力強、功率密度高、檢測方便和容量范圍大等特點，能在電動汽車加速時提供額外的所需功率，制動時將制動產生的能量快速的存儲起來［2］。在超級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時瞬時功率并回收能量從而優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

在電動汽車應用場合中，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，電源需要向電機提供較大電流來提供足夠的推力，同時要求較小的電壓輸出紋波，經過分析這里采用移相全橋倍流整流雙向DC/DC變換拓撲，其結構圖如圖2所示。

此拓撲結構是移相全橋倍流拓撲演化而來的，將副邊的兩個二極管用開關管代替。當工作在正向模式時，Q5和Q6作為二極管使用，此時電路就是普通的移相全橋倍流拓撲，開關管Q1和開關管Q3的驅動PWM波形互補且有一定的死區時間，開關管Q2和開關管Q3的驅動PWM波形互補也有一定的死區時間，通過調節兩對PWM之間的相位差來調節輸出電壓［4］。當工作在反向模式時，變壓器原邊側四個開關管可視為二極管并構成全橋整流電路，開關管Q5和開關管Q6的驅動PWM波形相位相差半個周期且有著相同的占空比。

1.1正向工作模式狀態分析

移相全橋在工作時為了避免同一橋臂上下兩個開關管同時導通，使變壓器原邊側短路，需要在開關管的驅動波形中加入死區，這里為了方便起見，忽略死區時間的影響。正向工作模式時的四個工作狀態如圖3所示。

狀態（a）：開關管Q1和開關管Q4同時導通。直流電源U1、Q1、Q4和變壓器原邊組成回路，變壓器原邊向負載提供能量。在變壓器副邊側則需要開關管Q5關斷，Q6導通。副邊繞組的電流通過L1，電感L2進行續流。

狀態（b）：開關管Q1保持導通，開關管Q4關斷，同時開關管Q2導通。開關管Q1、開關管Q2和變壓器原邊組成續流回路，繼續向負載提供能量。開關管Q5和開關管Q6同時開通，提供續流通道。

狀態（c）：開關管Q2和Q3導通。此時變壓器副邊電壓為負。此時需要變壓器副邊側開關管Q5導通，Q6關斷。變壓器副邊電流通過L2輸出到負載，電感L1則通過Q5續流。

狀態（d）：開關管Q3和Q4導通，Q3、Q4和變壓器原邊繞組組成續流回路，繼續向負載提供能量。開關管Q5和Q6再次同時導通，電感L1和L2分別通過Q5和Q6續流。

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反向工作模式狀態分析

分析反向工作模式時，可將移相全橋四個開關管可視為二極管組成一個全橋整流電路。開關管Q5和Q6的驅動波形相同且相差半個周期，且均大于50%［5］.反向同步整流模式時狀態如圖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（a）：開關管Q5和Q6均關斷；電源U2給電感L1和L2充電。

狀態（b）：開關管Q5開通，Q6保持關斷；電源U2、變壓器副邊繞組和電感L2組成回路向負載供電，此時電源U2和電感L2同時向負載傳遞能量，電感L1繼續充電。

狀態（c）：開關管Q5關斷，Q6由關斷轉為開通；電源U2、變壓器原邊和電感L1組成回路想負載供電，此時電源U2和電感L1同時向負載傳遞能量，電感L2開始充電。

經過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變換器的小信號建模

由于設計的雙向DC-DC變換器有非線性器件的存在，所以都是非線性的。如果根據非線性模型來進行穩定性分析將會顯得非常繁瑣。小信號模型提供了一種對DC-DC變換器進行穩定性分析的方法，它首先將各非線性器件用泰勒公式在穩態工作點展開，然后忽略系統中二次高次項從而得到一個近似的線性模型。在這個模型中，對輸出量進行控制的量和系統暫態性能為線性關系，因此可以用傳統的控制理論對系統進行穩定性分析［7］。

2.1正向工作建模

用狀態平均法對正向工作模式進行建模。當電路處于連續電流模式時有兩種工作狀態。

第一種工作狀態如圖7所示。

圖7　第一種工作狀態等效圖

在此工作狀態時，電源U1通過變壓器想負載供電，在時間（0，dT）內電容電流iL（t）和電感電壓vL（t）分別為：

將公式（1）和公式（2）轉化為狀態方程和輸出方程可得：

第二種工作狀態如圖8所示。

圖8　第二種工作狀態等效圖

在此工作狀態時，變壓器副邊組成一個續流電路，在時間（dT，T）內，電容電流iL（t）和電感電壓vL（t）分別為：

將公式（5）和公式（6）轉化為狀態方程和輸出方程可得：

對上述兩種工作狀態進行平均后根據線性化小信號方程進行線性化可得：

根據拉普拉斯反變換之后可得輸出量對占空比控制量的傳遞函數為：

眾所周知，移相全橋DC-DC在漏感較大時會出現占空比丟失的情況，因此必須考慮占空比丟失對系統穩定性的影響。有效占空比可由以下格式計算得到：

由此可得雙向移相全橋DC-DC變換器正向工作小信號模型如圖9所示。

圖9　正向工作小信號模型

可以得到正向工作狀態時拓撲輸出對控制信號的傳遞函數為：

2.2正向工作時的PID補償

用MATLAB繪制式2-13的波特圖發現系統的剪切頻率不理想，這里使用PID補償對系統的穩定性進行補償。PID補償結構框圖如圖10所示。

圖10　正向PID補償結構框圖

其中E（s）為反饋量與輸出參考量的差值，Gc（s）為PID調節器傳遞函數，Gm（s）為三角波與上一個控制器輸出值比較的比較器傳遞函數。God（s）為正向工作時拓撲輸出對控制信號的傳遞函數。H（s）為補償網絡的傳遞函數。為了將開關頻率對系統環路的影響降到最低，這里取開關頻率的十分之一進行計算［8］。同時使用3型PI補償器對系統的閉環環路進行補償。3型誤差放大器的傳遞函數為：

Gc（s）=（1+sR2C1）［1+s（R1+R3）C3］

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

取第一個零點位置頻率為2 kHz，極點位置頻率為10 kHz.要求補償器在2 kHz頻率處有14 dB的增益。取R1為1 kΩ，取R2為5 kΩ［9、10］.可計算補償器傳遞函數為：

補償后正向工作時系統傳遞函數Bode圖如圖11所示。

圖11　補償后正向工作系統傳遞函數Bode圖

由上圖可知，經過補償后的系統剪切頻率為2 kHz，相角裕度為58°，滿足設計要求。由于反向工作時建模以及補償方法如正向工作模式，這里不再贅述。

3　實驗結果

基于以上設計制作了一臺額定功率600 W的樣機進行實驗，輸入電壓為50 V，設計輸出電壓為120 V.實驗結果如圖12和圖13所示。

圖12　正向輸出波形

圖13　反向輸出波形

圖12分別為正向輸出時電感L1和電感L2的電流波形以及當輸入端輸入50 V電壓時輸出端輸出端的電壓波形，此時倍流整流電路處于同步整流狀態，由圖可知兩個電感電流波形均為三角波且每個周期均存在著相位差，兩個電感波形在相加后可以減少部分紋波。變壓器輸出端在經過輸出濾波器濾波后基本穩定在120 V，電路實現了從50 V到120 V的電壓轉換并輸出較理想的波形。圖13為雙向DC/DC變換器反向工作時變壓器副邊開關管Q5和Q6驅動波形以及原邊輸出電壓波形，可見輸出端電壓基本保持在50 V.實驗表明，所研制的移相全橋倍流電路雙向DC/ DC變換器能夠為電車提供穩定的電壓并且在反正工作時快速回收制動能，達到設計要求。

4　結束語

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，分析了此拓撲在燃料電池電動車加速以及減速時的作用以及工作原理，同時消除了在反向工作時由于變壓器副邊漏感引起的尖峰電壓。制作了實驗樣機并通過實驗驗證了此拓撲用于燃料電池電車的方案是可行的。

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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

南方電網科技項目（項目編號：K-GX2014-047）

魏星（1989-），男，湖北咸寧人，在讀碩士研究生，研究方向為綜合自動化。