基于Boost拓撲的燃料電池阻抗測量激勵源設計

康嘉駿，馬天才

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

0 引言

在環境問題日益嚴重的今天，發展清潔低碳能源，實現碳中和目標已經成為全球共識。而燃料電池因為其高效率、無污染的優勢受到了廣泛關注[1]。然而低成本、壽命短是燃料電池商業化面臨的主要困難[2]。通過對燃料電池的實時狀態監測，能預測其健康狀態，延長使用壽命。燃料電池的電化學阻抗譜包含了豐富的內部狀態信息，可用于燃料電池故障診斷等多種應用，因而得到了廣泛的關注。

但是，電化學阻抗譜的測量結果需要在系統響應近似線性的前提下才有意義。若施加的擾動過大將導致響應失真，而擾動的幅值過小，響應信號容易被噪聲所掩蓋。因此在選擇擾動的幅值大小時，必須在系統線性度和測量信噪比（SNR）之間進行權衡。

因此，為了實現對燃料電池的阻抗譜測量以及在線監測，需要向燃料電池系統施加幅值，頻率適當且可控的擾動信號。本研究對幾種燃料電池激勵源的技術方案進行了分析，根據燃料電池系統的結構特點和實際需求選擇了合適的電路拓撲結構，通過對電路元件參數的計算校核，并進行了仿真和驗證。最后，對激勵源樣機進行了測試，驗證了樣機的輸出性能。

1 燃料電池阻抗測量激勵源技術方案分析與選擇

燃料電池系統的電氣架構通常由燃料電池，DC/DC變換器，電池組和控制系統等部分組成。由于燃料電池的輸出特性電壓受輸出功率影響大，一般需要串聯DC/DC變換器以穩定輸出電壓并控制輸出電流。因此，在DC/DC變換器中增加擾動注入功能，或并聯一個激勵DC/DC變換器是一種可行的技術方案。

一種向燃料電池施加激勵的技術方案是基于線性電源技術，使功率半導體器件工作在飽和區，通過調整驅動電壓改變電流幅值。該方案的優點在于控制簡單，電流紋波小。但其缺陷是流經激勵源的電能均以熱能損耗，效率低下。

另一種激勵源技術方案是利用系統中的DC/DC變換器實現激勵功能，其直接利用變換器的紋波電流。另一種方案是通過在占空比附近，以很小的變化量改變開關占空比來引入擾動信號，進而提取電池的諧波阻抗的方法。該方案的優點是直接利用現有設備，有利于降低系統體積與成本，其缺陷在于產生的波形質量較低。

基于獨立激勵源的方案使用獨立的DC/DC變換器實現激勵功能。該方案下，激勵源使其輸入電流跟隨一個給定的正弦信號，進而對燃料電池施加激勵。獨立DC/DC變換器可以根據阻抗測量的需要，為設定的激勵幅值和頻率進行優化，具有高效靈活的優勢。

考慮到獨立DC/DC變換器的方案具有效率較高、設計靈活、體積較小等優勢，因此采用該方案。同時，根據大多數燃料電池DC/DC變換器的設計，采用Boost拓撲，并使用多相交錯并聯的設計抑制電流紋波，降低電感體積，提高等效開關頻率。

2 多相交錯并聯Boost拓撲DC/DC變換器設計

典型的Boost拓撲DC/DC變換器的輸入電流紋波大，不利于燃料電池的壽命。為了抑制紋波，需要增加濾波電感和電容，導致變換器體積和重量大。而多相交錯并聯Boost拓撲通過對各支路電流的相位控制和紋波的疊加抵消，可減小電流紋波，降低了對濾波電感和電容的需求，但是所使用的器件數量多，控制難度和損耗大[3]。

設計的激勵源樣機預計與一個輸出電壓范圍為3.9～5.4 V的燃料電池適配。激勵源輸出的電能將為12 V電池組充電。一般而言，在阻抗測量設備能夠有效分辨待測信號的前提下，激勵的幅值越小越好。通常認為激勵電流的幅值不超過燃料電池直流電流的5%，本文將激勵源的電流幅值定為6 A。由于激勵源為單向DC/DC變換器，因此需要直流電流偏置，電流偏置定為8 A。

功率器件和開關頻率的選擇也是設計要點之一。開關頻率對變換器的效率和性能具有重要影響。考慮到本文中微控制器的性能，并考慮到總體設計需求，將開關頻率設定為100 kHz。為了減少功率二極管上的損失，采用同步整流模式，將原Boost拓撲中的續流二極管改為MOSFET，通過微控制器的控制，在原有二極管正向導通時開通MOSFET，利用其低導通電阻的優勢，降低導通損耗。

本設計的激勵源工作在電流連續模式下，電感量對電流紋波和輕載工況下電流連續性有較大影響。因此，根據輸入電流紋波大小進行電感量計算。根據上文給出的工作條件，根據Boost拓撲的占空比計算式，可求得變換器工作占空比為57.1%～69.0%。式中，D為變換器開關占空比，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓。

根據參考文獻的分析，多相交錯并聯對輸入電流紋波的抑制程度與占空比及相數均存在關聯[4]。對于變換器，引入紋波比表征總電流紋波與各相電流紋波的比值。對于使用的四相交錯并聯拓撲，的函數如下所示。其中△ii為總電流紋波，△iL為單相電感電流紋波。

單相Boost拓撲電流紋波計算式：

其中，L為電感值，f為開關頻率。

結合式（2），得到輸入電流紋波計算公式。

根據給定的占空比范圍等條件，得到電感計算式如下：

本設計中，最惡劣電壓定義為峰值電流達到最大值時所對應的輸入電壓。因此按照輸入電壓3.9 V，占空比69%，紋波電流為0.1 A，開關頻率為100 kHz計算，得到電感值至少為58μH。考慮到電感制造誤差，以及大電流下電感的衰減，為了保證電感在工作時不發生飽和，需要提高電感值以增加裕量，最終選擇的電感為120μH。

3 基于MATLAB Simulink的DC/DC變換器仿真

根據前文的分析和設計，采用MATLAB Simulink對激勵源進行建模仿真。電路原理如圖1所示，電流波形控制采用平均電流法，使用PID閉環對占空比進行調整。仿真參數：輸入電壓為4.5 V，開關頻率為100 kHz，PID控制頻率為50 kHz，電感為120μH。激勵電流幅值為6 A，偏置電流幅值為8 A，仿真步長為10 ns，蓄電池額定電壓為12 V，容量為200 Ah。

為激勵頻率為500 Hz時的電流波形如圖2所示。此時波形為正弦波，激勵頻率準確，說明控制器能實現對波形的跟蹤和控制。從放大圖中可見，電感電流紋波相互疊加后抵消，總電流紋波得到了較好的抑制，電流紋波幅值小于0.1 A。同時，可見每相的最小電流均大于0，證明激勵源工作在連續電流模式下。該仿真結果驗證了上文設計的可行性和合理性。

圖1 四相交錯并聯Boost拓撲電路原理圖

4 實驗與結果

基于上文的設計，基于某型微控制器開發了激勵源樣機并進行了實驗，臺架如圖3所示。其中，使用直流電源模擬燃料電池，輸出電壓為4.5 V。樣機的輸出端接入12 V鉛酸蓄電池。下文將對樣機在不同激勵頻率下產生的激勵波形進行觀察，對輸出波形的特性進行分析。

使用CYBERTEK CP8030H（量程±30A）霍爾電流傳感器對激勵頻率為1 Hz，10 Hz，100 Hz，250 Hz和500 Hz時的樣機產生的激勵電流進行觀測，如圖4所示。可見激勵波形接近正弦波，失真程度小，沒有明顯的波紋、振蕩和毛刺。

在不同激勵頻率下，激勵電流的波形特性，紋波幅值和誤差見表1。在多數頻率下，樣機輸出的激勵波形特性滿足設計需求，但在10 Hz頻率下，存在紋波幅值輕微超標的現象，可能的原因是電路或程序設計上存在問題。在輸出電流幅值方面，各個頻率下均可輸出符合預期幅值的激勵信號，激勵幅值誤差小于2.5%。綜上，在輸出性能上，該樣機滿足設計需求。

圖2 500Hz激勵頻率下總電流波形與各相電流波形

圖3 自制激勵源樣機實驗臺架

圖4 不同頻率下激勵源輸出的激勵電流波形下的電流紋波

表1 激勵源樣機在各激勵頻率下的輸出電流精度與輸入電流紋波

5 結語

比較了3種用于電化學阻抗譜測量的燃料電池激勵源方案的優缺點，開發了一種基于多相交錯并聯Boost拓撲的燃料電池激勵源。該設計的優點是通過多相交錯并聯實現了對電流紋波的抑制，能量轉換效率高，輸出的激勵波形質量好。測試結果表明，在預設的輸入電壓范圍內，能產生1～500 Hz的正弦交變激勵，在交變電流幅值6 A，直流偏置幅值8 A的輸出設置下，輸入電流紋波小于106 mA，輸出的交變電流幅值誤差小于2.5%，各個頻率下輸出波形無明顯失真與毛刺。