用于燃料电池汽车的双向DC-DC变换器

魏　星，黄洪全，汤云骏，许　炜

（广西大学电气工程学院，广西 南宁530004）

新产品开发

用于燃料电池汽车的双向DC-DC变换器

魏星，黄洪全，汤云骏，许炜

（广西大学电气工程学院，广西 南宁530004）

燃料电池在能量转换过程中随着电流变化电压波动较大，需要在燃料电池上并联一个超级电容来稳定输出电压。超级电容作为辅助储能模块通过双向DC/DC变换器与直流母线连接，能够有效改善燃料电池输出特性。利用移相全桥-倍流整流双向DC/DC变换器实现燃料电池和超级电容间的能量传递，制作样机并取得预期结果。

燃料电池；超级电容；电动车；双向DC/DC变换

目前市场上的电动车电源主要是铅酸电池，其能量和重量性能比低，不能满足电动车的发展要求。燃料电池具有环保、结构紧凑、电流密度高、工作温度低、使用无毒性固态电解质膜等优点，在很多领域发挥着重要作用［1］。然而燃料电池是一个非线性变参数的纯滞后系统，当输出电流较大时，输出电压下降较快。燃料电池电压-电流特性如图1所示，因此其存在带负载能力较差，输出功率不稳定等缺点，一般的解决方案是在燃料电池上并联超级电容来稳定输出电压。超级电容有着充电速度快、循环使用寿命长、大电流放电能力强、功率密度高、检测方便和容量范围大等特点，能在电动汽车加速时提供额外的所需功率，制动时将制动产生的能量快速的存储起来［2］。在超级电容和燃料电池之间加入双向DC/DC变换器能够增加汽车启动时瞬时功率并回收能量从而优化汽车的加速和减速性能［3］。

1　移相全桥-倍流双向DC/DC变换器原理

在电动汽车应用场合中，一般要求输入输出的电压比或电流比较大，所以需要变换器有良好的电气隔离特性。在汽车加速时，电源需要向电机提供较大电流来提供足够的推力，同时要求较小的电压输出纹波，经过分析这里采用移相全桥倍流整流双向DC/DC变换拓扑，其结构图如图2所示。

此拓扑结构是移相全桥倍流拓扑演化而来的，将副边的两个二极管用开关管代替。当工作在正向模式时，Q5和Q6作为二极管使用，此时电路就是普通的移相全桥倍流拓扑，开关管Q1和开关管Q3的驱动PWM波形互补且有一定的死区时间，开关管Q2和开关管Q3的驱动PWM波形互补也有一定的死区时间，通过调节两对PWM之间的相位差来调节输出电压［4］。当工作在反向模式时，变压器原边侧四个开关管可视为二极管并构成全桥整流电路，开关管Q5和开关管Q6的驱动PWM波形相位相差半个周期且有着相同的占空比。

1.1正向工作模式状态分析

移相全桥在工作时为了避免同一桥臂上下两个开关管同时导通，使变压器原边侧短路，需要在开关管的驱动波形中加入死区，这里为了方便起见，忽略死区时间的影响。正向工作模式时的四个工作状态如图3所示。

状态（a）：开关管Q1和开关管Q4同时导通。直流电源U1、Q1、Q4和变压器原边组成回路，变压器原边向负载提供能量。在变压器副边侧则需要开关管Q5关断，Q6导通。副边绕组的电流通过L1，电感L2进行续流。

状态（b）：开关管Q1保持导通，开关管Q4关断，同时开关管Q2导通。开关管Q1、开关管Q2和变压器原边组成续流回路，继续向负载提供能量。开关管Q5和开关管Q6同时开通，提供续流通道。

状态（c）：开关管Q2和Q3导通。此时变压器副边电压为负。此时需要变压器副边侧开关管Q5导通，Q6关断。变压器副边电流通过L2输出到负载，电感L1则通过Q5续流。

状态（d）：开关管Q3和Q4导通，Q3、Q4和变压器原边绕组组成续流回路，继续向负载提供能量。开关管Q5和Q6再次同时导通，电感L1和L2分别通过Q5和Q6续流。

正向工作模式下电压电流波形图如图4所示。

图4　正向工作电路主要波形

1.2反向工作模式状态分析

分析反向工作模式时，可将移相全桥四个开关管可视为二极管组成一个全桥整流电路。开关管Q5和Q6的驱动波形相同且相差半个周期，且均大于50%［5］.反向同步整流模式时状态如图5所示。此处省去变压器原边电路图。

图5　反向工作模式

状态（a）：开关管Q5和Q6均关断；电源U2给电感L1和L2充电。

状态（b）：开关管Q5开通，Q6保持关断；电源U2、变压器副边绕组和电感L2组成回路向负载供电，此时电源U2和电感L2同时向负载传递能量，电感L1继续充电。

状态（c）：开关管Q5关断，Q6由关断转为开通；电源U2、变压器原边和电感L1组成回路想负载供电，此时电源U2和电感L1同时向负载传递能量，电感L2开始充电。

经过以上分析可得变压器副边各器件波形图如图6所示。

图6　反向工作波形

2　双向移相全桥DC-DC变换器的小信号建模

由于设计的双向DC-DC变换器有非线性器件的存在，所以都是非线性的。如果根据非线性模型来进行稳定性分析将会显得非常繁琐。小信号模型提供了一种对DC-DC变换器进行稳定性分析的方法，它首先将各非线性器件用泰勒公式在稳态工作点展开，然后忽略系统中二次高次项从而得到一个近似的线性模型。在这个模型中，对输出量进行控制的量和系统暂态性能为线性关系，因此可以用传统的控制理论对系统进行稳定性分析［7］。

2.1正向工作建模

用状态平均法对正向工作模式进行建模。当电路处于连续电流模式时有两种工作状态。

第一种工作状态如图7所示。

图7　第一种工作状态等效图

在此工作状态时，电源U1通过变压器想负载供电，在时间（0，dT）内电容电流iL（t）和电感电压vL（t）分别为：

将公式（1）和公式（2）转化为状态方程和输出方程可得：

第二种工作状态如图8所示。

图8　第二种工作状态等效图

在此工作状态时，变压器副边组成一个续流电路，在时间（dT，T）内，电容电流iL（t）和电感电压vL（t）分别为：

将公式（5）和公式（6）转化为状态方程和输出方程可得：

对上述两种工作状态进行平均后根据线性化小信号方程进行线性化可得：

根据拉普拉斯反变换之后可得输出量对占空比控制量的传递函数为：

众所周知，移相全桥DC-DC在漏感较大时会出现占空比丢失的情况，因此必须考虑占空比丢失对系统稳定性的影响。有效占空比可由以下格式计算得到：

由此可得双向移相全桥DC-DC变换器正向工作小信号模型如图9所示。

图9　正向工作小信号模型

可以得到正向工作状态时拓扑输出对控制信号的传递函数为：

2.2正向工作时的PID补偿

用MATLAB绘制式2-13的波特图发现系统的剪切频率不理想，这里使用PID补偿对系统的稳定性进行补偿。PID补偿结构框图如图10所示。

图10　正向PID补偿结构框图

其中E（s）为反馈量与输出参考量的差值，Gc（s）为PID调节器传递函数，Gm（s）为三角波与上一个控制器输出值比较的比较器传递函数。God（s）为正向工作时拓扑输出对控制信号的传递函数。H（s）为补偿网络的传递函数。为了将开关频率对系统环路的影响降到最低，这里取开关频率的十分之一进行计算［8］。同时使用3型PI补偿器对系统的闭环环路进行补偿。3型误差放大器的传递函数为：

Gc（s）=（1+sR2C1）［1+s（R1+R3）C3］

sR1（C1+C2）（1+sR3C3）［1+sR2C1C2/（C1+C2）］（14）

取第一个零点位置频率为2 kHz，极点位置频率为10 kHz.要求补偿器在2 kHz频率处有14 dB的增益。取R1为1 kΩ，取R2为5 kΩ［9、10］.可计算补偿器传递函数为：

补偿后正向工作时系统传递函数Bode图如图11所示。

图11　补偿后正向工作系统传递函数Bode图

由上图可知，经过补偿后的系统剪切频率为2 kHz，相角裕度为58°，满足设计要求。由于反向工作时建模以及补偿方法如正向工作模式，这里不再赘述。

3　实验结果

基于以上设计制作了一台额定功率600 W的样机进行实验，输入电压为50 V，设计输出电压为120 V.实验结果如图12和图13所示。

图12　正向输出波形

图13　反向输出波形

图12分别为正向输出时电感L1和电感L2的电流波形以及当输入端输入50 V电压时输出端输出端的电压波形，此时倍流整流电路处于同步整流状态，由图可知两个电感电流波形均为三角波且每个周期均存在着相位差，两个电感波形在相加后可以减少部分纹波。变压器输出端在经过输出滤波器滤波后基本稳定在120 V，电路实现了从50 V到120 V的电压转换并输出较理想的波形。图13为双向DC/DC变换器反向工作时变压器副边开关管Q5和Q6驱动波形以及原边输出电压波形，可见输出端电压基本保持在50 V.实验表明，所研制的移相全桥倍流电路双向DC/ DC变换器能够为电车提供稳定的电压并且在反正工作时快速回收制动能，达到设计要求。

4　结束语

本文主要研究用于燃料电池电车的移相全桥倍流双向DC/DC变换器，分析了此拓扑在燃料电池电动车加速以及减速时的作用以及工作原理，同时消除了在反向工作时由于变压器副边漏感引起的尖峰电压。制作了实验样机并通过实验验证了此拓扑用于燃料电池电车的方案是可行的。

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Bidirectional DC/DC Convertor Used in Fuel-cell Electrical Vehicles

WEI Xing，HUANG Hong-quan，TANG Yun-jun，XU Wei
（College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

Output voltage of fuel cells would change with change of current，so a super capacity should be connected with it in parallel.As auxiliary energy storage module，super capacity can improve the outputcharacteristic of fuel cell effectively.This thesis chooses full bridge-current doubler DC/DC conversion topology to achieve energy bi-directional conversion between super capacity and DC bus and a prototype has been made and achieves satisfied results.

fuel cell；super capacity；electrical vehicle；bidirectional DC/DC converter

TP23

A

1672-545X（2016）07-0155-05

2016-04-13

南方电网科技项目（项目编号：K-GX2014-047）

魏星（1989-），男，湖北咸宁人，在读硕士研究生，研究方向为综合自动化。