多相峰值电流控制的燃料电池通信电源设计

游志宇， 陈维荣， 李 奇， 戴朝华， 陶诗涌

（西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031）

多相峰值电流控制的燃料电池通信电源设计

游志宇， 陈维荣， 李 奇， 戴朝华， 陶诗涌

（西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031）

针对目前通信电源系统存在的缺点及燃料电池良好的应用前景，提出一种基于多相峰值电流控制的燃料电池通信电源系统设计方法，替代了传统铅酸蓄电池通信电源系统，减少了对环境的污染，而且所采用的多相峰值电流控制策略能够通过将电流均分到多个功率通道，降低功率器件的传导损耗及热压力，提高系统效率，实现多相大功率B oo st变换器设计，解决燃料电池输出特性较软以及目前大功率B oo st变换器设计存在的不足。根据所建立的B oo st变换器电路模型，仿真证明该B oo st变换器具有较低的输出电压、电流纹波，而且在此基础上研制出一台3 k W的燃料电池通信电源系统样机，实验测试结果表明该B oo st变换器效率较高，输出电压、电流纹波及噪音低，能够满足通信电源标准规定的各项技术指标要求。

燃料电池；通信电源；B oo st变换器；多相；峰值电流

近年来，随着全球能源短缺与环保问题的日益突出，新能源的应用研究已受到世界各国的大力关注，因此开展清洁、环保的新型能源应用研究具有重要意义[1]。燃料电池由于功率密度高、洁净、无污染的优点而成为具有吸引力的新能源之一，近年来得到了世界各国的高度重视和大力资助[2]。

随着通信技术的快速发展，通信电源得到了广泛的应用。传统的通信电源系统一般包含市电电源转换系统和备用电源系统两大部分[3]，其中备用电源系统一般采用铅酸蓄电池组，在市电停电或故障时为通信设备提供运行的备用电源，保障通信设备短时间内的正常运行，其缺点是体积大、笨重、使用寿命短、废弃后造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。鉴于铅酸蓄电池作为备用电源系统存在的缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，研发基于燃料电池的通信电源系统有着广阔的应用市场。由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，能量转换效率高，清洁、无污染、噪声低，比功率高，逐渐被公认为能够取代蓄电池作为通信电源系统中的备用电源，成为通信电源技术发展的一个重要方向[4]。

燃料电池虽具有诸多优点，但也存在一些不足，例如其输出特性较软、动态响应慢、输出电压波动较大[5]，而且启动时需要辅助电源，难以与负载直接连接。为了克服燃料电池存在的以上问题，需要通过在燃料电池输出端连接一个DC/DC变换器[6-9]，使其输出电压稳定在规定的范围内。目前大功率DC/DC变换器一般采用单相变换器或多个单相变换器并联的方式[10-12]，这种方式存在功率器件选择面窄，输出电压、电流纹波高，噪音大，输出端电容、电感大，电路复杂等缺点。本文结合燃料电池的特性以及目前大功率Boost变换器方案存在的缺陷，提出一种基于多相峰值电流控制的燃料电池通信电源系统设计方法。该方法将电流均分到多个功率通道，以降低功率器件的传导损耗及热压力，实现系统效率的提高。本文采用LTspice IV软件对所提出的6相峰值电流控制Boost变换电路模型进行了建模和仿真，对多相峰值电流控制Boost变换器性能进行了验证，最后根据仿真结果和总体方案研制了一台3 kW多相峰值电流控制的燃料电池通信电源系统样机，并对提出的整机系统进行了实验验证。

1 系统结构及工作原理

1.1 燃料电池的特点

燃料电池是一种高效的电化学能量转换装置，它直接将燃料的化学能转化为电能。只要有燃料和氧化剂不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（即气体或液体），常用的燃料为纯氢气、重整气、甲醇等，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等。氢燃料在燃料电池的阳极发生氧化反应，生成离子和电子；离子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的离子、电子和阴极处的氧化剂结合生成水随尾气排出[13]。两个电极发生的电化学反应方程如下：

燃料电池具有高效率、零或超低排放、安静、安全、可靠等优点，且燃料电池发电装置直接输出直流电，非常适用于直流负载系统。但燃料电池的输出特性较软，存在输出电压随着输出电流的增加而降低，供电时动态响应慢、输出电压波动大，负载变化时输出电压不稳定等诸多问题[5]。因此，燃料电池不可能向蓄电池那样直接通过串联、并联方式对直流负载系统直接供电，它总是先通过DC/DC变换器后再与直流负载连接，或再通过逆变器后接交流负载[6-7]。另外燃料电池在启动时需要外部提供启动辅助电源，一般配置小容量的蓄电池作为燃料电池启动时辅助系统的供电和启动时对负载系统的短时支撑。

1.2 燃料电池通信电源系统的结构及工作原理

1.2.1 系统结构

传统通信电源系统一般由市电电源转换系统和备用电源系统两大独立部分组成，而备用电源系统一般由大容量铅酸蓄电池组构成，存在备电时间短、体积大、寿命短、难于进行二次回收再利用等缺点。由于通信设备的工作电源通常是48 V直流[4]，而燃料电池输出的正好是直流，这使得燃料电池非常适用于通信电源系统中。

根据燃料电池输出特性及通信电源系统的特点，基于燃料电池的通信电源系统结构原理框图如图1所示。整个系统主要由市电供电回路、燃料电池供电回路、锂电池供电回路、系统控制单元及人机接口组成。

市电供电回路由AC/DC变换器、AC/DC控制单元组成，实现对市电有无电的监测、市电220 V到直流48 V的转换、AC/DC变换器的控制、市电供电回路状态参数的检测等功能，并与系统控制单元实时通信，传输控制命令及参数。

图1 燃料电池通信电源系统结构框图

燃料电池供电回路包含燃料电池发电系统和燃料电池发电控制器。其中燃料电池发电系统包括与其相连接的氢气供应系统、空气供应系统、水循环系统、排气系统、燃料电池堆等[14]；燃料电池发电控制器实现燃料电池的发电控制、燃料电池系统压力、温度、电压、电流等参数的采集，并通过CAN总线与系统控制单元进行通信，接收系统控制单元下发的控制命令、上传采集的电压、电流、压力、温度等参数给系统控制单元。

锂电池供电回路由锂电池充电管理单元、锂电池组组成。锂电池组主要用于燃料电池系统启动时为燃料电池提供辅助电源，同时在市电供电回路和燃料电池供电回路切换期间，提供短暂的负载功率支撑，并在燃料电池供电时为负载突变提供功率补偿[15]；锂电池充电管理单元在检测到锂电池组的SOC值低于设定值时，对锂电池组进行充电。

系统控制单元实现整个通信电源系统的控制管理，协调各功能单元自动工作，接收远端控制系统下发的控制命令，采集电源系统的所有参数并通过人机接口进行显示处理及上传到远端监控设备。系统控制单元与AC/DC控制单元、DC/DC控制单元、燃料电池发电控制器、蓄电池充电管理单元及人机接口实时通信，并进行数据/命令传输，实现各单元的协调自动工作。

在系统结构框图中，燃料电池发电系统和系统直流总线之间使用单向DC/DC变换器，辅助锂电池直接与系统直流母线相连接。燃料电池的输出电压通过DC/DC变换器的升压或者降压与系统直流母线的电压等级进行匹配，这样就使燃料电池功率输出能力与系统直流母线电压间不存在直接耦合关系，而且DC/DC变换器可将直流母线的电压维持在通信设备运行的范围内。

1.2.2 系统工作原理

系统控制单元是系统控制的核心，它控制整个系统的自动运行及各供电回路的自动切换、系统状态参数采集及人机交互。电源系统的运行模式可以分为：启动工作模式、交流电供电模式、锂电池供电模式（即转锂电池供电，燃料电池启动工作模式）、燃料电池供电模式（即转燃料电池供电，锂电池做功率补偿模式）、燃料电池转交流供电暂态工作模式（即恢复交流电供电过渡工作模式），各工作模式自动切换转移图如图2所示。

图2 工作回路自动切换转移图

电源系统启动后，当系统监测到市电供电正常时，系统控制单元启动市电供电回路对负载供电，停止燃料电池供电回路工作，同时在锂电池充电管理单元控制下对锂电池组充电；当系统在监测到市电停电时，系统控制单元启动锂电池供电回路对负载供电，同时切断市电供电回路，启动燃料电池发电系统开始发电。在燃料电池输出稳定后切换到燃料电池供电回路对负载供电，锂电池供电回路仅作为负载功率突变的功率补偿，并在锂电池充电管理单元控制下对锂电池组充电；当电源系统监测到市电供电回路、燃料电池供电回路均故障时，自动切换到蓄电池供电回路对负载供电，并产生报警信息上传至远端人工值班系统，在锂电池组电压低于保护阀值时切断负载供电，整个电源系统停止工作。

2 多相峰值电流控制DC/DC变换器

由于燃料电池输出电压较低，为得到较高的电压增益，需要采用Boost变换器将燃料电池输出的电压进行升压。在燃料电池通信电源系统中，Boost变换器除了起升压作用外，还保持输出电压在负载变化时稳定在额定值范围内。目前常见的大功率Boost变换器有两种解决方案：一种是采用单相大功率Boost变换器，这种方案功率器件的热压力较大，可选择的功率器件面窄，输出端滤波电容、电感较大，输出电压、电流纹波和噪音较大；另一种是采用多个单相Boost变换器和一个外部均流管理电路，构成一个并联的大功率Boost变换器，外部均流管理电路实现多个并联通道的电流均衡，此方案可以降低器件的热压力，但需要外部均流电路，实现比较复杂。基于现有Boost方案存在的缺陷，本文采用多相峰值电流控制策略，将电流均分到多个功率通道，降低功率器件的传导损耗及热压力，提高系统效率，实现多相大功率Boost变换器，使得变换器输出电压、电流纹波及噪音低，输出滤波电容、电感小，功率器件热压力低。

本文采用3个非同步多相控制器构成6相Boost变换器，将电流均分到6个功率通道，降低每个功率通道的传导损耗，同时系统热压力在更多功率器件及更大的电路板面积上均分，使得功率器件选择面更宽。每个非同步多相控制器具有两个以180°反相工作的功率级，每个功率级都由一个电感、MOSFET、肖特基二极管和电流检测电阻组成，这两个功率级相位是完全平衡的，具有严格的电流限制门限、以及高度准确的误差放大器输出到电流检测比较器输入的转移函数，保证与电感峰值电流匹配保持准确，从而实现在多相中强制电流平衡。在LTspice IV中建立了6相峰值电流控制的Boost变换器电路模型，如图3所示。

图3 6相B oo st变换器电路模型

在6相峰值电流控制的Boost变换器电路模型中，采用3个非同步多相控制器通过级联构成6相Boost变换器，使得通道之间相位差为30 ，非同步多相控制器的运行控制Run、电压反馈FB、误差补偿ITH、软启动SS等控制信号直接并联在一起，工作频率均设置为相同的固定频率100 kHz，并将作为主控的非同步多相控制器同步时钟输出连接到第一个从控制器的同步时钟输入端，第一个从控制器的同步时钟输出接到第二个从控制器的同步时钟输入端。仿真时设主输入电源为30 V，控制器电源为12 V电源，模型输出电压设置为48 V，负载电流设置为74 A，电感为4.9μH，仿真时间为2ms进行仿真，输出电压、电流的仿真波形如图4所示。其中V(in)是输入电压，V(out)是输出电压，I(RLoad)是负载电流。从仿真波形可以看到输出电压为48 V，电压峰峰值为0.235 V，输出负载电流为74 A，电流峰值为0.354 A。

图4 30 V输入时6相B oo st变换器输出电压/电流波形

通过设置不同的输入电压进行仿真测试，得到不同输入电压下输出电压、电流的最大值、最小值及峰-峰值如表1所示。从表1可以看出，6相Boost变换器的输出电压、电流纹波非常低，满足大功率Boost变换器设计的要求。

表 1 不同输入电压下输出电压电流的最大及最小值

3 系统样机设计及测试

根据提出的多相峰值电流控制方法和系统结构原理图，研制了一套3 kW的燃料电池通信电源系统样机。样机选用的燃料电池堆输出电压范围为30～40 V，净输出功率为3.5 kW，6相峰值电流控制的Boost转换器最大功率为3 kW。

系统控制单元采用C8051F040单片机做主控制器，主控制器实时采集电源系统的状态参数，并根据系统状态控制系统自动运行。系统控制单元与燃料电池控制器采用CAN通信，进行数据、命令的传输，系统控制单元实时提供Boost变换器输出的电压、电流给燃料电池发电控制器，燃料电池发电控制器根据目前获取的电压、电流及燃料电池系统的氢气压力、温度、湿度等参数，实时调节燃料电池堆的功率输出，以满足负载的需要。构建的样机实物如图5所示。

图5 6相峰值电流控制的燃料电池通信电源系统样机

本文重点关注多相峰值电流控制的Boost变换器，利用10 kW电子负载代替通信设备，对Boost变换器进行效率测试，在不同输入电压的情况下采集多组数据得到的效率曲线如图6所示。从效率曲线可以看出在输出功率达到500W后，燃料电池供电回路的效率都在90%以上，最高效率达到95%。

图6 Boost变换器效率曲线

4 结论

针对目前通信电源系统存在的缺点及燃料电池良好的应用前景，本文提出一种基于多相峰值电流控制的燃料电池通信电源系统设计方法，替代了传统铅酸蓄电池通信电源系统，减少了对环境的污染。随着功率密度的不断提高，多相Boost变换器将成为保持输入电流可管理，提高效率的必然选择。本文提出的多相峰值电流控制Boost变换器，将电流均分到多个功率通道，降低了功率通道的传导损耗，减小了输出端电容大小，使得输出电压、电流纹波低，噪音小，组件的热压力小，功率器件选择面广，系统效率高。研制的燃料电池通信电源系统样机性能稳定，各项指标满足通信电源标准的规定。随着燃料电池技术的发展，燃料电池制造成本的下降，配套设施的逐渐完善，燃料电池作为一种高效节能、环境友好的发电装置，将会在通信行业中得到广泛的应用。

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《燃料电池设计与制造》

本书从系统工程、系统设计角度而非深奥的电化学、热力学理论角度，结合实际案例，介绍了燃料电池的基本概念、系统组成和系统分类，描述了燃料电池涉及的主要基础理论知识和关键技术，从工程应用角度说明了燃料电池的工作条件、堆的结构与设计、流道设计和材料要求等，提出了用于表征燃料电池关键性能的主要指标，论述了如何对系统进行建模与设计。全书深入浅出而又全面透彻，并在每章末尾提出了若干引导读者进一步思考和讨论的问题。

Design of fuel cell communication power system based on multi-phase peak currentmode control

YOU Zhi-yu,CHENWei-rong,LIQi,DAIChao-hua,TAO Shi-yong
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

A fuel cell communication power system design based on multi-phase peak current mode control was proposed to replace the traditional lead-acid battery communication power system for the shortcomings of communications power systems and the good application prospects of the fuel cell, which has reduced the transmission loss and thermal pressure of the power device and improved the efficiency of the system,achieved multi-phase high power Boost converter design as well as solved the soft-output characteristics of the fuel cell and the high-power Boost converter design shortage. A model of a Boost converter circuit was established and the simulation results demonstrate that the boost converter has a low output voltage ripple and current ripple. In additional, a 3 kW fuel cell system of communication power prototype based on this new system was given. Experimental results prove the Boost converter with high efficiency, low output voltage ripple, current ripple and noise,can meet the requirement of the communication power standard.

fuel cell;communication power;Boost converter;multi-phase;peak current

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-1989-04

2013-04-04

国家自然科学基金(51177138)；高等学校博士学科点专项科研基金 (20100184110015)；铁道部科技研究开发计划(2012J012-D)；四川省国际科技合作与交流研究计划(2012HH0007)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU11CX030)

游志宇(1980—)，男，四川省人，博士研究生，主要研究方向为新能源技术及其应用、混合动力系统能量管理技术。