燃料電池模擬裝置硬件電路設計與開發

潘浩星，劉雙寨，徐宏昌

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

0 引 言

隨著全球范圍內不可再生能源短缺和環境污染問題不斷的加劇，世界各國都在積極開發可替代傳統燃料燃燒系統的清潔可再生動力系統。燃料電池是典型的可再生清潔能源，是一種電化學發電裝置，其中最典型的代表為氫氧-燃料電池，直接將化學能轉化為電能而不必經過熱機過程，不受卡諾循環限制，能量轉化效率高，且無噪聲，無污染，正在成為理想的能源利用方式。同時，隨著燃料電池技術不斷成熟以及世界范圍內大面積天然氣源的發現，燃料電池本身及其相關供電系統的商業化應用前景廣闊。目前在以燃料電池為能量源進行供電的電路系統研究的過程中面臨著一些困難。例如：可采購的高可靠性的燃料電池不多；燃料電池燃料存儲難度大；實驗室的試驗條件和安全性因素等。本文開發一種燃料電池的模擬裝置，在研究中代替燃料電池為外圍電路負載提供能量，其為燃料電池供電系統的開發工作帶來了極大的便利。使研發人員可以聚焦在電路系統開發工作，提高開發效率。同時，在此基礎上根據不同設計要求，也可以快速實現不同種類燃料電池的模擬裝置，進行科學研究。同時，也為類似研究開發工作提供了一種新的思路。

1 系統設計

本系統基于燃料電池原理設計并開發一種燃料電池模擬裝置硬件電路，替代其在燃料電池系統所起到的作用。在實際的燃料電池系統中，可燃氣體燃料燃燒為燃料電池提供能量源，燃料電池通過控制系統控制燃料的化學反應速度進而調節輸出的能量。燃料電池工作基本原理如圖1所示［1-3］。

圖1 燃料電池工作原理

在本設計中采用100 V直流電源代替燃料電池模擬裝置提供能量，輸出直流電壓20～70 V，輸出最大電流50 A，電壓紋波≤1%，電流紋波≤20%，最高轉換功率2 kW。其框架如下圖2所示。

圖2 燃料電池模擬裝置工作框架

系統由3個子系統組成：能量轉換子系統（硬件電路1）；數據采集和分級供電子系統（屬于硬件電路2）；數據處理和實時控制子系統（軟件控制系統3）。

（1）能量轉換子系統。是燃料電池模擬裝置的基礎，基于DC/DC［4-6］硬件電路設計，為外部負載提供直流電壓。同時實現脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號的驅動電路及光電信號接收功能，并驅動功率管的開關。

（2）數據采集和分級供電子系統。是采集電路反饋信號，不同等級電壓供電及防短路邏輯控制電路實現。實時采集輸入和輸出電壓、電流數據，反饋給控制系統進行參數對比調節。同時，其包含的PWM［7-8］信號防短路模塊，能夠防止由于兩路PWM信號沖突而產生的DC/DC電路的短路問題。

（3）數據處理和控制子系統?；赿SPACE硬件實時接收電路反饋數據并進行處理。例如，模數轉換，濾波。同時，根據電路設計輸入、輸出條件確定燃料電池U-I特性曲線建模與實采數據進行對比調節，產生PWM信號指令，通過光纖收發器傳輸、控制功率管的占空比，進而控制模擬裝置的輸出電壓、電流與燃料電池實物輸出吻合。

2 硬件電路子系統設計與實現

2.1 能量轉換子系統設計

2.1.1 系統組成和原理

系統主要由能量轉換基本電路，功率管驅動器和光纖接收器組成。結構如圖4所示。能量轉換基本電路主要包括功率元器件MOSFET［9］、電感和電容，為負載提供直流電壓。功率管驅動器通過從光纖端口接收到的占空比信號驅動MOSFET的開關時長，從而控制負載兩端的輸出電壓。光纖接收器進行光電信號的轉換，降低信號干擾并保證傳輸實時性。

圖4 能量轉換子系統電路結構

2.1.2 關鍵參數L和C1計算和主要部件選型

根據設計條件：輸入直流電壓UI＝100 V，輸出直流電壓U0＝20～70 V，最大輸出電流Iomax＝50 A，電壓紋波ΔUC/Uo≤1%，電流紋波ΔIL/Iomax≤20%。降壓電路如圖5所示。

圖5 降壓電路圖

（1）電感L計算。在降電壓輸出過程中，電感上電壓為正時，電感上電流增加；當電感上的電壓為負時，電感上的電流減少，根據設計經驗，取

式中：f0為開關頻率。輸入DCUi＝100 V，輸出直流Uo＝20～70 V之間，可以得到：

式中：δ為輸出、輸入電壓有效值之比。

將式（2）代入式（1）中

式中：根據設計初始條件電流紋波值ΔIL取最大輸出電流Iomax的20%，即

fs為開關頻率，其增大可以減少電流紋波，但開關損耗會引起效率下降，綜合考慮［10］選取fs＝100 kHz。將ΔIL和fs代入式（3），則

（2）濾波電容C1計算。在實際電路中濾波電容C1能夠減少電壓紋波，使得輸出電壓更加平滑穩定。ΔUC電壓紋波越小，輸出電壓越穩定，根據設計要求ΔUC/Uo≤1%，由電壓紋波公式［11］：

濾波電容C1至少為63 μF。

2.1.3 主要部件選型

根據電路設計要求選擇對應的主要電器元件，見表1。

表1 主要電器元件列表

2.2 數據采集和供電子系統設計開發

在能量轉換子系統硬件電路的基礎上，對電壓和電流信號進行采集、濾波、放大等。除此之外為硬件電路中的不同電氣元件提供不同等級的工作電壓。同時，設計合理的邏輯硬件電路，避免雙路PWM信號同時傳輸產生的短路現象，并采用光纖進行通信傳輸。

2.2.1 傳感器與dSPACE硬件

通過電流、電壓傳感器分別對電流、電壓進行實時數據采集，采用dSPACE硬件模塊進行數據接收和轉換［12］。

（1）電流測量和電壓測量。采用LEM LA 55-P電流傳感器，電源電壓為±15 V，測量范圍±60 A；分別測量：II和Io；采用LEM LV 25-P電壓傳感器，電源電壓為±15 V，測量范圍10～500 V，分別測量：UI和Uo。

（2）dSPACE模塊數據轉換。采用DS1104ADC硬件進行模數轉換，其共有8輸入通道，8輸出通道。需要使用通道數量和屬性可以通過Matlab進行設置（見圖6）。

圖6 dSPACE數據采集硬件

2.2.2 防短路邏輯電路設計

當電路中的兩個MOSFET同時工作，將會產生短路現象，導致電路工作不正常。因此，必須保證MOSFET按照一定邏輯交替進行工作［13］（見圖7）。

圖7 防短路XOR-AND組合邏輯電路圖

2.2.3 電源供給電路設計

根據硬件電路中不同的電壓等級需求，對輸入電壓進行等級劃分［14］（見圖8）。

圖8 多級電壓分配圖

3 硬件電路實現

3.1 能量轉換硬件電路

電路中的電子器件全部經計算分析后，選型采購制成實物（見圖9）。主要包括PWM驅動模塊，光纖接收器，MOSFET等。

3.2 數據采集硬件電路

考慮dSPACE硬件采集通道輸入條件限制。采用LEM電流傳感器，LEM電壓傳感器，匹配電路等電子器件并對采集信號進行一系列的采集、濾波、放大等轉換處理（見圖10）。使處理過的信號能夠與信號采集硬件匹配。

圖10 電壓和電流采集電路實物圖

4 結 語

基于燃料電池的工作原理，設計出替代燃料電池工作的模擬器整體方案。同時，根據測試給出的邊界條件實現了模擬器硬件部分的參數計算，電器元件選型以及實際電路的設計和實現。為下一步基于dSPACE硬件上，運用Matlab來設計開發模擬器控制軟件奠定基礎。