燃料电池汽车用DCDC变换器及其控制策略的研究

　　随着燃料电池技术的迅速发展。特别是90年代质子交换膜燃料电池的突破性进展，燃料电池n车进入了新的快速发展阶段。应用f燃料电池汽车的燃料电池，其电流-电压特性曲线11如图丨所不。

　　从町以看出，燃料电池加负载的起始阶段，其电压UfcF降较快；然F；随着电流的增大（负载增加）电瓜卜'降，it.卜降的斜率比普通电池大得多，因而其输出特性相对较软。从效率的角度来说，对坫特定负载卜'，输出功率的波动会导致燃料电池效率q下降。

　　和c统n车一样，燃料电池fc乍t！i必须u有很强的机动性，以便对不n的路况（例如：上、卜'坡，超乍加速，转弯减速，纟I.绿灯启、停，面对障碍物的紧急制动，……）及时做出相应的反丨、V.为了满足其机动性的要求，燃料电池汽车驱动所需功中：便会较大的波动，这燃料电池的输出特性偏软足相不质的。W―方面，燃料电池的输出功率苦波动较大，其效率会人大下降，反而影响其机动n.作为种交通工具，燃料电池汽车同样芯要一定的运输能力，因而其输出效率要尽可能的大，并且对功率密度比提出了很高的要求。

　　一、DC/DC变换器的主电路基于以上分析，实际应用中，需在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC变换器，以改善燃料电池的输出特性。为了覆盖功率波动并且提高峰值功率，改善输出瞬态特性，在DC/DC变换器中引入超级电容（其电容值可高达数千法拉，体积约是相同容量普通电容器的六千分之一）；同时，为了进一步提高燃料电池汽车的机动性，还引入了辅助电池。燃料电池汽车DC/DC变换器工作原理框图如所示，图中箭头指示了能量流动的方向。

　　燃料电池汽车DC/DC变换器工作原理框图作为燃料电池汽车用的DC/DC变换器，要求其效率要高，以便提高能源的利用率，延长单位燃料的行驶公里数；体积要小，重量要轻，以提高汽车的功率密度比，提高燃料电池汽车的运输能力，增强其实用价值。这就要求DC/DC变换器的主电路应尽可能简单紧凑，为此该DC/DC变换器选用非隔离式变换。其电路原理如所示。

　　作为燃料电池汽车用的DC/DC变换器，要求其效率要高，以便提高能源的利用率，延长单位燃料的行驶公里数；体积要小，重量要轻，以提高汽车的功率密度比，提高燃料电池汽车的运输能力，增强其实用价值。这就要求DC/DC变换器的主电路应尽可能简单紧凑，为此该DC/DC变换器选用非隔离式变换器mm.其电路原理如所示。

　　燃料电池汽车DC/DC变换器主电路工作原理二、DC/DC变换器的控制策略针对燃料电池汽车的特殊运行情况，DC/DC变换器的控制有其特殊要求，从功率流的角度宋看，DC/DC变换器要完成如T控制任务：汽车上所需的所有能源均来自燃料电池，即燃料电池向辅助电池、超级电容和后级DC/AC驱动器进行单向能量流动；燃料电池汽车平稳运行过程屮，主要由燃料电池向DC/AC驱动器提供能源，驱动所需稳定电压一般高于燃料电池最大电压；燃料电池汽车加速行使或匀速上坡等需要加大功率的过程中，需增加的功率主要由超级电容提供；C4）燃料电；燃料电池汽车DC/DC变换器主电路工作原理，回馈到超级电容，少部分回馈到辅助电m；（5）燃料电池停止向外提供能量时（燃料耗尽或其它故障），辅助电池临时代替燃料电池提供能量。

　　对于所示的燃料电池汽车DC/DC变换器主电路，其控制主要由几个IGBT管配合使用完成各种工况下的能量流动，控制策略如下：（丨）能量流动的主N路：在燃料电池汽车平稳运行过程中，燃料电池通过由功率管ZI控制的Boost电路向DC/AC部分进行升压供电，如所示。

　　能量波动的流动回路：在燃料电池汽车的输出功率波动过程中，在超级电容和DC/AC驱动器之间，分别由Z4、Z2控制升、降双向可逆能量流动，超级电容起到了“削峰填谷”的作用，如所小。

　　备用能量的流动回路：在燃料电池故障、超级电容故障或其它情况需要备用电源时，通过Z2、Z3、Z4配合控制的升、降压电路向外供电，如所示，Z3除了参与降压PWM斩波外，其通态还为升压斩波提供回路，并且关断时可以阻止辅助电池向外供电，从而节约备用能量。

　　DC/AC驱动器辜e级电容超级电容功率“削峰填谷”回路辅助电池向外升降压供电回路为了实现如上控制策略，同时要考虑到各个IGBT管的配合，需要对燃料电池、超级电容、辅助电池的工作电压进行适当地选择。

　　U）料电池电压和DC/AC驱动器两端的电压分为Ufe、Uqd超级电容、辅助电池充满后的最高电压分别为Usdl、tin超级电容经预充电后不工作的电压为Uscy超级电容、辅助电池放电后的最低电ffi分为Usd、Ufrl通过如下方法在电路上实现控制策略：的燃料电池供电回路是一个典型的升IE电路，这里的功率。极管D5主要是控制电流方向，使得燃料电池只向外流出能量而外部能量不能对燃料电池进行倒灌，从而保护了燃料电池；滤波电容C1在其参数设计范围内尽可能选择大些，一方面减少燃料电池升压时的输出纹波，另一方面减少超级电容充、放电时对燃料电池升压的动态性能的影响，其作用类似我们通常所说的“解偶”。

　　屮，DC/AC驱动器和超级电容之间能量是双向流动的。通过前面对电压的定义，当能量流向超级电容时，DC/DC变换器是降压工作的，这时Z4关断，Z2以一定频率对进行斩波，L2起到了滤波作用，D4续流，从而完成了对超级电容的降压充电或超级电容对驱动器馈能量的吸收。当需要超级电容对外提供能量时，DC/DC变换器总是升压工作的，这时Z2关断，Z4进行升压斩波，L2为升压储能电感，D2提供前向通道，从而完成了超级电容到驱动器的升压供电。

　　C3）屮，D3、Z4、L2构成了对辅助电池的降压充电回路，这时Z4降压斩波，Z2关断，D2续流。Z3通态时，Z2、L2、D4构成了对外的升压回路。

　　按以上控制策略，可以满足燃料电池汽车对DC/DC变换器的控制要求，为进一步设计控制器提供了良好的技术基础。

　　三、结论（1）结合燃料电池汽车的特殊应用场合，提出了一种结构简单、转换效率高的DC/DC变换器。

　　C2）通过对变换器控制策略的研究分析，在电路上可以满足燃料电池汽车对DC/DC变换器的控制要求。

　　主要