车用燃料电池堆与电压变换器的联合仿真

温延兵，高　松

(山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049)



车用燃料电池堆与电压变换器的联合仿真

温延兵，高松

(山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049)

摘要：针对质子交换膜燃料电池输出特性不稳定问题，设计了一种以升压电路为主电路，联合脉冲激发的开关控制器为控制电路的直流-直流电压变换器。依据质子交换膜燃料电池原理，搭建出额定功率为35 kW的车用质子交换膜燃料电池堆模型，并验证了模型的有效性和可操作性。为了验证所设计变换器的控制效果，将35 kW质子交换膜燃料电池堆与直流-直流电压变换器进行了联合仿真。仿真结果表明：所设计的直流-直流电压变换器0.4 ms就能将电压稳定且误差控制在1.2%以内，能够很好地满足车用质子交换膜燃料电池堆对升压和稳压的要求。

关键词：35 kW；质子交换膜燃料电池堆；直流-直流电压变换器；响应时间；精度

0引言

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电动车以其高效率、零污染、氢气来源广泛等诸多优点，被视为未来理想的汽车。目前，由于质子交换膜燃料电池输出特性不稳定，要想满足燃料电池汽车所需动力性能要求，必须在燃料电池堆与燃料电池汽车母线之间连接直流-直流(direct current-direct current,DC-DC)电压变换器，以起到升压和稳压的作用。

目前，升压(Boost)电路有两种类型：隔离类型和非隔离类型。隔离类型电路采用高频逆变+变压器+整流滤波方案，其电路较复杂、体积大、质量大、效率低，故在燃料电池电动轿车上一般不采用[1]。近年来，国内外学者对于非隔离类型DC-DC电压变换器进行了深入的研究。文献[2]设计了非隔离DC-DC电压变换器来实现燃料电池电压转换，采用两部分升压电路将燃料电池电压提高到工作电压。这样的设计能够很好地转换电压到目标值，但电路结构复杂，响应时间势必受到影响。对于控制方法，有传统的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制法[3]，该控制算法简单,较容易实现，被广泛使用，但其参数的确定多依赖于工程经验，调试时间较长。也有研究人员采用智能控制算法，例如模糊控制和智能神经网络控制等，但需要专家经验[4]，实现手段较复杂。

从解决质子交换膜燃料电池输出不稳定特性入手，并考虑到DC-DC电压变换器简单可靠、小型化，本文针对车用质子膜燃料电池堆设计了一种新型DC-DC升压变换器，其主电路采用升压(Boost)电路，控制电路采用联合脉冲激发的开关控制器。

1质子交换膜燃料电池堆模型建立

质子交换膜燃料电池利用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，经过化学反应产生电能并生成水。单个质子交换膜燃料电池主要包括阴极、阳极和质子交换膜，其结构与反应原理图如图1所示。

单个质子交换膜燃料电池发生化学反应生成液态水，此过程产生的理想标准电势E0为1.229 V，但是燃料电池输出的电压取决于工作条件，如温度、外部负载以及燃料/氧化剂的流速等。当燃料电池向外提供电能时，实际电池电压会因若干不可逆因素而下降。电压损失可以分为3类：①活化极化电压损失；②欧姆极化电压损失；③浓差极化电压损失。

图1　质子交换膜燃料电池结构与反应原理

单个质子交换膜燃料电池电压表示为[5]:

Ecell=ENernst-Uact-Uohm-Ucon，

(1)

其中：ENernst为热力学电动势；Uact为活化极化损失电压；Uohm为欧姆极化损失电压；Ucon为浓差极化损失电压。

活化极化损失电压表达式为[6]：

(2)

其中：R为理想气体常数，R=8.314 J/(mol·K)；T为燃料电池反应温度,K；F为法拉第常数，F=96 485 C/mol；α为转化因子，α=0.5；i为电流的实际密度，A/cm2；i0为交换电流密度，i0=10-6.912A/cm2。

欧姆极化损失电压表达式为：

Uohm=IRohm=I(Rm+Rc)，

(3)

其中：I为燃料电池中的电流，A；Rm为质子交换膜等效膜电阻，Ω；Rc为阻碍质子通过膜的阻抗,Ω。

浓差极化损失电压表达式为：

(4)

在燃料电池发生化学反应时会存在“双层电荷层”现象，即电子聚集在电极的表面，氢离子聚集在电解质的表面，它们之间会产生一个电压且能储存电荷和能量，相当于一个等效电容。为了表示双层电荷层的影响，作出了燃料电池的等效电路模型，如图2所示。

图2　质子交换膜燃料电池的等效电路模型

在图2中，ENernst为燃料电池的能斯特电压；Ra为活化极化和浓差极化的等效内阻；Rohm为欧姆极化电阻；C为等效电容；Ecell为输出电压。

稳态时，单块质子交换膜燃料电池的电压可以表示为：

Ecell=ENernst-Ua-Uohm，

(5)

其中：Ua为活化极化损失电压和浓差极化损失电压的和；Uohm为欧姆极化损失电压。

单元燃料电池的工作电压一般只有0.7 V左右，要想实现大电压和大功率，必须将多个单元燃料电池串联起来。

表1　35 kW燃料电池堆模型参数

质子交换膜采用美国杜邦公司的Nafion112膜。模型各参数值如表1所示[7]。

表1中,A为质子交换膜的有效面积；l为质子交换膜的厚度；T为燃料电池反应温度；Rc为阻碍质子通过膜的阻抗；C为等效电容；λ为常数，表示质子交换膜水含量；B为常数；Jmax为最大电流密度；N为燃料电池的个数；PH2为氢气在阳极催化剂表面处的分压；PO2为氧气在阴极催化剂表面处的分压。

利用MATLAB/Simulink软件，搭建燃料电池堆仿真模型，如图3所示。

图3　35 kW质子交换膜燃料电池堆模型

当设定质子交换膜燃料电池堆的个数N=1，即燃料电池堆的模型变成单个质子交换膜燃料电池时，仿真出来的输出电压-电流密度特性曲线与实际试验测定的电气特性曲线[7]相当吻合，如图4所示。由此说明所搭建的PEMFC仿真模型是实际有效的，且该模型可以用来作为研究35 kW车用质子交换膜燃料电池堆稳态性能和车用DC-DC电压变换器设计的参考。

一般燃料电池汽车的动力总成母线电压设计波动范围为345~405 V，设定燃料电池汽车的动力总成母线电压为375 V，也就是说燃料电池堆经过DC-DC电压变换器变压后的电压为375 V。DC-DC电压变换器分为升压变换器和降压变换器[8]，由于建立的35 kW燃料电池堆模型，其输出的电压大部分在375 V以下，所以选定DC-DC电压变换器的类型为升压变换器。通过上面的分析可知：设计的燃料电池堆的电压输出范围为224~582 V，通过仿真实验可以得到质子交换膜燃料电池堆的个数N=482。将N=482代入图3的仿真模型中，得到35 kW质子交换膜燃料电池堆电压和功率输出特性曲线，如图5所示。

图4 燃料电池电压仿真数据与试验测定数据的对比图5 质子交换膜燃料电池堆电压和功率输出特性曲线

基于搭建的35 kW PEMFC模型，研究燃料电池堆随温度和压力变化时的电压输出特性。图6为PEMFC模型在PH2=3.03×105Pa，PO2=3.03×105Pa时，随温度变化的电压输出特性曲线。图7为PEMFC模型在PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K时，随氢气压力变化的电压输出特性曲线。图8为PEMFC模型在PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K时，随氧气压力变化的电压输出特性曲线。

由图6~图8输出特性曲线可以看出：质子交换膜燃料电池堆的输出电压与反应温度、氢气压力和氧气压力成正比[9]。这与实际中燃料电池堆的输出特性相吻合，充分说明了所建立的质子交换膜燃料电池堆仿真模型是稳定有效的，为相应DC-DC电压变换器的设计提供了很好的参考。

2DC-DC电压变换器模型

针对35 kW PEMFC设计的DC-DC电压变换器，须满足在输入电压为224~582 V时，输出电压为母线电压375 V的要求。当燃料电池输入电压小于224 V时，输出电压过小，不利于燃料电池的科学利用，另外，燃料电池堆的输出特性也趋于恶化。因此，当输入电压小于224 V时，DC-DC电压变换器不输出。DC-DC电压变换器由主电路和控制电路组成，各部分的具体设计过程如下所示。

2.1　DC-DC电压变换器主电路

采用升压(Boost)电路作为主电路[10]，其拓扑结构如图9所示。经仿真优化确定各元件参数为：电感L=2.12×10-6H，电容C=1.0×10-4F，电阻R=4.02 Ω。

图6 PEMFC模型随温度变化的电压输出特性图7 PEMFC模型随氢气压力变化的电压输出特性图8 PEMFC模型随氧气压力变化的电压输出特性图9 Boost型DC-DC电压变换器拓扑结构

2.2　DC-DC电压变换器控制器

采用联合脉冲激发的开关控制器作为DC-DC电压变换器的控制器，其控制原理是：当DC-DC电压变换器开始调压时，首先利用脉冲信号来激发DC-DC电压变换器主回路，使主回路输出电压超过375 V；其后，利用反馈调压电路来控制功率开关管的关闭，进而起到调压的作用。图10为联合脉冲激发的开关控制器。

3PEMFC电池堆电子与DC-DC电压变换器模型的联合仿真

在Simulink中将质子交换膜燃料电池堆模型与DC-DC电压变换器模型进行联合仿真分析。将35 kW质子交换膜燃料电池堆模型在PH2=PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K时的输出电压输入给DC-DC电压变换器。

图10　联合脉冲激发的开关控制器

设定DC-DC电压变换器的输出值为375 V，运行质子交换膜燃料电池堆和DC-DC电压变换器组成的联合仿真模型，仿真结果如图11所示。

由图11所示的仿真结果可以看出：质子交换膜燃料电池堆不稳定的输出特性经过DC-DC电压变换器稳压调节后，0.4 ms就能够将电压稳定在375 V，这说明DC-DC电压变换器的输出响应较快。图12为DC-DC电压稳态电压局部放大图。如图12所示，稳态时DC-DC电压变换器输出电压波形较小，其输出电压能够控制在370.5～375.0 V，振荡波纹在4.5 V之内，使DC-DC电压变换器所要求的输出电压波纹控制在1.2%以内。

图11 DC-DC输出电压波形图12 DC-DC稳态电压局部放大图

4结论

针对35 kW质子交换膜燃料电池堆，设计了一种新型DC-DC电压变换器，其主电路采用升压(Boost)电路，控制电路采用联合脉冲激发的开关控制器。将35 kW质子交换膜燃料电池堆与DC-DC电压变换器进行联合仿真，验证DC-DC电压变换器的控制效果。所设计的DC-DC电压变换器能够很好地起到升压和稳压的作用，缩短了试验周期，降低了试验成本，为质子交换膜燃料电池电动车的设计提供了很好的参考依据。

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文献标志码：A

中图分类号：U469．72

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.008

文章编号：1672-6871(2016)02-0038-05

收稿日期：2015-04-25

作者简介：温延兵(1989-),男,山东聊城人,硕士生;高松(1965-),男,山东淄博人,教授,博士,博士生导师,研究方向为电动汽车技术.

基金项目：国家“863”计划基金项目(2012AA110305)