車載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法

黨娟

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，榆林 719000）

引言

交通運輸領(lǐng)域?qū)κ偷男枨蠓浅８撸瑩?jù)國際能源署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023 年全球石油需求量預(yù)計為101.9 百萬桶/日，其中約60 %用于交通運輸。石油產(chǎn)品的高消耗帶來的空氣污染問題日益嚴重，研發(fā)與制造新能源汽車，以降低能源消耗、減小污染物排放成為全球熱點問題[1]。燃料電池汽車主要通過燃料電池提供汽車行駛動力，具有對社會生態(tài)環(huán)境友好，運行穩(wěn)定等優(yōu)勢。燃料電池因工作損耗問題導(dǎo)致其輸出電壓低于理想電勢[2,3]，直接將其輸出的直流電用于驅(qū)動汽車電機，可能無法滿足電機的需求，因此，需通過直流變換器將其轉(zhuǎn)換為可調(diào)的直流電，以滿足車載電機調(diào)速要求[4,5]。為使直流變換器輸出電壓、電流能夠與燃料電池輸出特性相匹配，實現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，同時確保汽車平穩(wěn)運行，對直流變換器進行有效控制顯得十分必要[6-8]。

劉鵬等人通過連續(xù)調(diào)節(jié)斬波器占空比，實現(xiàn)對輸出電壓或電流的穩(wěn)定控制，該方法雖簡單易操作，且能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高動態(tài)性能，但肯能會引發(fā)諧波失真等問題[9]；周雅夫等人針對車用DC/DC 變換器輸入電流紋波高影響燃料電池使用壽命的問題，設(shè)計了交錯式Boost 型變換器拓撲電路，通過閉環(huán)控制策略提高燃料電池輸出穩(wěn)定性，但該方法存在系統(tǒng)振蕩問題[10]。雙環(huán)控制使用兩個控制環(huán)路來分別控制電流和電壓，以實現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的系統(tǒng)控制，具有操作簡便，節(jié)約成本的優(yōu)勢[11]。因此，本文提出車載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法，提高燃料電池系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，以滿足車載電源需求。

1 車載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制

1.1 燃料電池特性分析

燃料電池是以燃料和氧化劑（如氧氣、空氣中的氧或氯酸鉀）為原料，經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置[12]。圖1 闡述了燃料電池輸出電流電壓關(guān)系特性，其中燃料電池輸出電壓體現(xiàn)了其電化學(xué)反應(yīng)能力強度，輸出電流則衡量了質(zhì)子導(dǎo)通能力的高低，不同功率下電堆輸出特性可通過輸出電壓-電流關(guān)系進行判別。根據(jù)燃料電池的化學(xué)反應(yīng)和工作損耗特性，可將燃料電池的極化現(xiàn)象劃分為三種不同類型：①活化極化，由催化劑表面吸附中間物或者反應(yīng)物/產(chǎn)物脫附速度較慢所引起的極化，通常與反應(yīng)動力學(xué)有關(guān)。②歐姆極化，由電解質(zhì)、電極以及雙極板之間接觸電阻以及離子在電解質(zhì)中的遷移電阻所引起的極化，與電化學(xué)反應(yīng)過程中的電子和離子傳輸有關(guān)。③濃差極化，反應(yīng)物或產(chǎn)物在電極表面上的濃度梯度引起的極化。通常與反應(yīng)物/產(chǎn)物的擴散和傳輸有關(guān)。燃料電池電壓跌落具有不可逆性，當(dāng)電流密度較小時，激活過電壓會使電壓快速跌落，電流密度很大時，濃度過電壓會造成更劇烈的電壓跌落，電壓跌落的存在，使得燃料電池實際電壓小于理想電勢。FC 電壓計算公式描述為：

圖1 燃料電池輸出電流電壓關(guān)系特性

活化極化和濃差極化等效電阻總和表示aR，計算公式描述為：

在圖1 中，激活、濃差極化兩階段的過電壓分別通過Vact、Vconc描述，最后一個極化階段的跌落電壓表示為Vohmic，F(xiàn)C 電流以及能斯特瞬時電動勢分別為IFC、ENernst。

在燃料電池歐姆極化階段，電流隨電壓變化較快，而活化極化和濃差極化階段，其電流隨電壓變化較慢。因此，選擇與燃料電池適配的直流變換器時，需要使其能夠在不同極化階段下工作，并能夠適應(yīng)這種電流和電壓的變化。

2.2 燃料電池直流變換器原理分析

燃料電池汽車通過燃料電池為其提供行駛動力，其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，F(xiàn)C、直流變換器DC-DC、電驅(qū)變換器DC-AC、車用儲能單元以及驅(qū)動電機是其重要組件。

圖2 汽車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文采用鋰離子電池作為汽車用儲能單元，F(xiàn)C 為電動汽車動力系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池為輔助電源。電動汽車行駛過程中，由FC 為其提供運行動力，通過鋰離子電池存儲多余能量；在電動汽車加減速時，通過鋰離子電池釋放能量以彌補主電源能量的不足。

2.2.1 直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)

本文采用的車載用燃料電池直流變換器為二次型Boost 變換器，圖3 為該變換器主電路結(jié)構(gòu)圖。車載用燃料電池直流變換器輸入、輸出電壓分別表示為Uin、U0。主電路中含有兩個LC 濾波器，分別表示為1L、1C、2L、C2，輸出電容通過C2描述；1 個主開關(guān)管表示為1S；無源開關(guān)管分別用 1D、2D、3D表示。為降低復(fù)雜度，設(shè)定開關(guān)管、二極管與儲能元件都處于理想狀態(tài)之下，輸出電容C2很大，平穩(wěn)狀態(tài)下直流電壓固定不變，且不考慮紋波電壓對直流變換器控制的影響。對于開關(guān)管，分別用fs、sT描述其轉(zhuǎn)換頻率以及及重復(fù)周期，D描述其導(dǎo)通周期。

圖3 車載用燃料電池變換器主電路拓撲圖

2.2.2 直流變換器工作原理

對電感1L進行合理設(shè)定，可確保電感電流i1L處于連續(xù)運行模態(tài)。設(shè)定直流變換器開關(guān)管導(dǎo)通占空比 低于0.5，電感電流i1L在每個開關(guān)周期內(nèi)都會經(jīng)歷開啟和斷開兩種不同狀態(tài)，圖4 為與之對應(yīng)的等效電路圖。

圖4 不同工作狀態(tài)下二次型Boost 變換器等效電路圖

當(dāng)直流變換器工作在 [t0,1t] 狀態(tài)下，開關(guān)管1S在t0時間點處于通電狀態(tài)，Uin為供電電源，電感1L正在充電，其存儲電能來源于Uin，無源開關(guān)管2D導(dǎo)通，以之作為電感1L的充電路徑，電感電流i1L呈逐漸增大變化趨勢；儲能電容1C通過放電為電感2L提供所需電能，電感電流2Li也呈不斷增大變化趨勢；此時有反向電壓作用于1D、3D兩側(cè)，且電壓值高于其最大允許范圍，致使其處于關(guān)斷狀態(tài)；儲能電容C2放電以滿足電路負載所需，以保證直流變換器輸出電壓平穩(wěn)無波動。此時分別通過下式計算電感電流i1L、i2L的上升斜率：

式中：

UC1—儲能電容C1的輸入電壓。

當(dāng)直流變換器工作在 [t0,1t] 模態(tài)，開關(guān)管1S在1t時間點處于關(guān)斷狀態(tài)，電源Uin和電感1L通過放電為儲能電容1C提供電流，1C與電感2L協(xié)同放電，滿足儲能電容C2與負載的電能需求，無源開關(guān)管1D、3D導(dǎo)通，以構(gòu)造出通暢的放電路徑，電感電流i1L、i2L呈線性減小趨勢變化。此時，分別通過下式計算電感電流1Li、i2L的上升斜率：

2.2.3 穩(wěn)態(tài)性能分析

遵循電感1L、2L的伏秒平衡原理，可確定下式：

通過下式可描述平穩(wěn)狀態(tài)下直流變換器主電路關(guān)系：

聯(lián)立公式（7）、（8），則有：

用M描述電壓增益，其計算公式通過下式進行描述：

由公式（9）得出，M與占空比之間存在平方倍關(guān)系。相比于傳統(tǒng)Boost 變換器中M與占空比之間為線性倍數(shù)關(guān)系，本文設(shè)計二次型Boost 變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)所描述的輸出電壓增益明顯高于傳統(tǒng)Boost 變換器，這意味著本文二次型Boost 變換器的輸出電壓相對于輸入電壓的增大程度更大，達到電壓增益提升的目的[13]。

2.3 二次型Boost 變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略

為提高汽車動力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及快速響應(yīng)能力[14,15]，本文設(shè)計基于輸入電壓前饋的全狀態(tài)雙環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)負責(zé)控制直流變換器的開關(guān)操作，以提高汽車動力系統(tǒng)快速動態(tài)響應(yīng)能力。它通過比較實際輸出電流和期望輸出電流的差值來調(diào)節(jié)開關(guān)操作，從而在負載變化時迅速調(diào)整輸出電流。電壓外環(huán)控制根據(jù)輸出電壓和期望電壓值之間的差異調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)電壓的跟蹤。基于輸入電壓前饋的全狀態(tài)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于電壓前饋的直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略

2.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制部分主要由電流控制器Ai(s)、脈寬調(diào)制增益1/Um、直流變換器開關(guān)管導(dǎo)通占空比交流分量到iL的傳遞函數(shù)Gd_i(s)以及電流檢測系數(shù)R(s)構(gòu)成，開環(huán)環(huán)路增益通過下式確定：

電流控制器Ai(s)采用PI 控制方式，通過下式描述其輸入、輸出之間的傳遞函數(shù)：

式中：

Ac—電流控制器的頻段增益；

τ1—系數(shù)。

fci表示開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率，用于描述閉環(huán)帶寬，其計算公式描述為：

其中：G=[R(s)]-1。將電壓前饋加入到電流內(nèi)環(huán)控制中，可利用Uin、電阻、電容形成的充電通路完成PWM 鋸齒波的獲取，通過改變Uin即可完成鋸齒波幅值的調(diào)整，以確保汽車動力系統(tǒng)具有不變帶寬。

2.3.2 電壓外環(huán)控制

獲得電流內(nèi)環(huán)控制的一階等效模型后，可將圖5 所示的直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)簡化為圖6 形式。

圖6 直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)等效圖

在電壓外環(huán)控制策略下，其環(huán)路增益通過下式進行計算：

式中：

K—電壓采樣網(wǎng)絡(luò)；

Av(s)—電壓控制器，通過PI 控制方式控制直流變換器的輸入、輸出電壓，以確保其滿足汽車動力系統(tǒng)需求。

傳遞函數(shù)表達式通過下式進行描述：

聯(lián)立公式（17）、（18）可得：

在電壓外環(huán)控制下，環(huán)路穿越頻率通過fcv表示，其計算公式為：

通常fcv=10-1fci，閉環(huán)帶寬反映系統(tǒng)對外部干擾的抑制能力，電流環(huán)閉環(huán)帶寬固定不變，將使系統(tǒng)對外部干擾的抑制能力維持不變，這樣可確保電壓環(huán)路參數(shù)的設(shè)定不會受到干擾的影響，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實驗分析

以二次型Boost 變換器樣機為實驗對象，額定功率350 W，其輸入電壓通過以25 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池提供，以IPP110N20NA 作為主開關(guān)管1S，三個無源開關(guān)管均為STPS1017CB。主要參數(shù)如下：fs、1L、2L、分別為21 kHz、330 μH、1 mH，1C、C2均為550 μF，該變換器輸入電壓波動區(qū)間介于（30~90）V 之間，輸出電壓為600 V，負載電阻為530 Ω。采用研究方法對車載用燃料電池直流變換器進行全狀態(tài)雙環(huán)控制，驗證其控制性能。

假設(shè)有4A 恒定負載電流作用在二次型Boost 變換器上時，應(yīng)用研究方法對該直流變換器進行雙環(huán)控制，通過對兩種工作狀態(tài)下的主開關(guān)管1S輸出電壓、電感電流以及直流變換器輸出電壓以及電壓紋波進行分析，驗證研究方法的實用性，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 恒定負載電流下的直流變換器雙環(huán)控制結(jié)果

分析圖7 可知，負載電流一定條件下，研究方法可實現(xiàn)直流變換器輸出電壓的平穩(wěn)控制，控制后電壓維持在700 V 左右，能夠滿足設(shè)定要求；而且電壓紋波波動范圍不超過500 mV，其值很小。此條件下，可得到開關(guān)管導(dǎo)通占空比為0.56，當(dāng)1S處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電感電流表現(xiàn)出不斷增大變化規(guī)律，當(dāng)其處于斷開狀態(tài)時，電感電流則不斷降低。實驗結(jié)果表明，研究方法可實現(xiàn)不變負載下直流變換器輸出電壓的穩(wěn)定控制，控制效果較好。

假設(shè)將一個呈周期性改變的負載作用在該二次型Boost 變換器上，時間間隔周期為2 s。設(shè)定2 s 時負載電流從2.5 A 激增到6 A，6 s 時負載電流由6 A 突降至2.8 A，通過對負載突變下直流變換器輸出電流、輸出電壓以及電壓紋波波形進行分析，驗證研究方法的控制穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 周期變化負載下的控制結(jié)果

圖9 負載突變時電壓紋波圖

分析圖8 可知，將研究方法應(yīng)用到直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制中，直流變換器的輸出電流隨著負載的變化而變化，二者之間保持正比例變化關(guān)系；輸出電壓波形曲線表現(xiàn)出較小波動，負載突變時，輸出電壓紋波波形上存在明顯的尖峰，對應(yīng)幅值分別為200 mV、120 mV，分別控制了10 ms、8 ms 后，紋波波形曲線便達到平穩(wěn)狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，研究方法通過極少時間即可完成負載變化的跟蹤，實現(xiàn)直流變換器的穩(wěn)定控制，取得突出的控制效果。

為分析研究方法的控制效果，將文獻[9]方法、文獻[10]方法作為對比方法，各方法控制后的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間差異如表1 所示。

表1 不同方法控制結(jié)果對比分析

分析表1 可知，利用研究方法對車載用燃料電池直流變換器進行控制，負載激增、負載突降兩種工況下的輸出電壓超調(diào)量分別為200 mV、120 mV，調(diào)節(jié)時間分別為10 ms、8 ms，研究方法控制后的兩指標值明顯低于文獻方法，研究方法在有效降低控制超調(diào)量的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)控制效率的有效提升，研究方法可實現(xiàn)燃料電池輸出特性的改善，達到燃料電池汽車穩(wěn)定運行目標。

4 結(jié)論

研究車載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法，在某二次型Boost 變換器樣機上開展控制性能分析實驗，通過對負載不變、負載激增、負載突降工況下的變換器輸出電壓等進行分析，驗證研究方法的控制效果。實驗結(jié)果表明：研究方法可實現(xiàn)車載用燃料電池直流變換器雙環(huán)控制，控制后的電壓紋波小、超調(diào)量低、控制效率高。