燃料电池模拟装置硬件电路设计与开发

潘浩星，刘双寨，徐宏昌

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

0 引 言

随着全球范围内不可再生能源短缺和环境污染问题不断的加剧，世界各国都在积极开发可替代传统燃料燃烧系统的清洁可再生动力系统。燃料电池是典型的可再生清洁能源，是一种电化学发电装置，其中最典型的代表为氢氧-燃料电池，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，能量转化效率高，且无噪声，无污染，正在成为理想的能源利用方式。同时，随着燃料电池技术不断成熟以及世界范围内大面积天然气源的发现，燃料电池本身及其相关供电系统的商业化应用前景广阔。目前在以燃料电池为能量源进行供电的电路系统研究的过程中面临着一些困难。例如：可采购的高可靠性的燃料电池不多；燃料电池燃料存储难度大；实验室的试验条件和安全性因素等。本文开发一种燃料电池的模拟装置，在研究中代替燃料电池为外围电路负载提供能量，其为燃料电池供电系统的开发工作带来了极大的便利。使研发人员可以聚焦在电路系统开发工作，提高开发效率。同时，在此基础上根据不同设计要求，也可以快速实现不同种类燃料电池的模拟装置，进行科学研究。同时，也为类似研究开发工作提供了一种新的思路。

1 系统设计

本系统基于燃料电池原理设计并开发一种燃料电池模拟装置硬件电路，替代其在燃料电池系统所起到的作用。在实际的燃料电池系统中，可燃气体燃料燃烧为燃料电池提供能量源，燃料电池通过控制系统控制燃料的化学反应速度进而调节输出的能量。燃料电池工作基本原理如图1所示［1-3］。

图1 燃料电池工作原理

在本设计中采用100 V直流电源代替燃料电池模拟装置提供能量，输出直流电压20～70 V，输出最大电流50 A，电压纹波≤1%，电流纹波≤20%，最高转换功率2 kW。其框架如下图2所示。

图2 燃料电池模拟装置工作框架

系统由3个子系统组成：能量转换子系统（硬件电路1）；数据采集和分级供电子系统（属于硬件电路2）；数据处理和实时控制子系统（软件控制系统3）。

（1）能量转换子系统。是燃料电池模拟装置的基础，基于DC/DC［4-6］硬件电路设计，为外部负载提供直流电压。同时实现脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号的驱动电路及光电信号接收功能，并驱动功率管的开关。

（2）数据采集和分级供电子系统。是采集电路反馈信号，不同等级电压供电及防短路逻辑控制电路实现。实时采集输入和输出电压、电流数据，反馈给控制系统进行参数对比调节。同时，其包含的PWM［7-8］信号防短路模块，能够防止由于两路PWM信号冲突而产生的DC/DC电路的短路问题。

（3）数据处理和控制子系统。基于dSPACE硬件实时接收电路反馈数据并进行处理。例如，模数转换，滤波。同时，根据电路设计输入、输出条件确定燃料电池U-I特性曲线建模与实采数据进行对比调节，产生PWM信号指令，通过光纤收发器传输、控制功率管的占空比，进而控制模拟装置的输出电压、电流与燃料电池实物输出吻合。

2 硬件电路子系统设计与实现

2.1 能量转换子系统设计

2.1.1 系统组成和原理

系统主要由能量转换基本电路，功率管驱动器和光纤接收器组成。结构如图4所示。能量转换基本电路主要包括功率元器件MOSFET［9］、电感和电容，为负载提供直流电压。功率管驱动器通过从光纤端口接收到的占空比信号驱动MOSFET的开关时长，从而控制负载两端的输出电压。光纤接收器进行光电信号的转换，降低信号干扰并保证传输实时性。

图4 能量转换子系统电路结构

2.1.2 关键参数L和C1计算和主要部件选型

根据设计条件：输入直流电压UI＝100 V，输出直流电压U0＝20～70 V，最大输出电流Iomax＝50 A，电压纹波ΔUC/Uo≤1%，电流纹波ΔIL/Iomax≤20%。降压电路如图5所示。

图5 降压电路图

（1）电感L计算。在降电压输出过程中，电感上电压为正时，电感上电流增加；当电感上的电压为负时，电感上的电流减少，根据设计经验，取

式中：f0为开关频率。输入DCUi＝100 V，输出直流Uo＝20～70 V之间，可以得到：

式中：δ为输出、输入电压有效值之比。

将式（2）代入式（1）中

式中：根据设计初始条件电流纹波值ΔIL取最大输出电流Iomax的20%，即

fs为开关频率，其增大可以减少电流纹波，但开关损耗会引起效率下降，综合考虑［10］选取fs＝100 kHz。将ΔIL和fs代入式（3），则

（2）滤波电容C1计算。在实际电路中滤波电容C1能够减少电压纹波，使得输出电压更加平滑稳定。ΔUC电压纹波越小，输出电压越稳定，根据设计要求ΔUC/Uo≤1%，由电压纹波公式［11］：

滤波电容C1至少为63 μF。

2.1.3 主要部件选型

根据电路设计要求选择对应的主要电器元件，见表1。

表1 主要电器元件列表

2.2 数据采集和供电子系统设计开发

在能量转换子系统硬件电路的基础上，对电压和电流信号进行采集、滤波、放大等。除此之外为硬件电路中的不同电气元件提供不同等级的工作电压。同时，设计合理的逻辑硬件电路，避免双路PWM信号同时传输产生的短路现象，并采用光纤进行通信传输。

2.2.1 传感器与dSPACE硬件

通过电流、电压传感器分别对电流、电压进行实时数据采集，采用dSPACE硬件模块进行数据接收和转换［12］。

（1）电流测量和电压测量。采用LEM LA 55-P电流传感器，电源电压为±15 V，测量范围±60 A；分别测量：II和Io；采用LEM LV 25-P电压传感器，电源电压为±15 V，测量范围10～500 V，分别测量：UI和Uo。

（2）dSPACE模块数据转换。采用DS1104ADC硬件进行模数转换，其共有8输入通道，8输出通道。需要使用通道数量和属性可以通过Matlab进行设置（见图6）。

图6 dSPACE数据采集硬件

2.2.2 防短路逻辑电路设计

当电路中的两个MOSFET同时工作，将会产生短路现象，导致电路工作不正常。因此，必须保证MOSFET按照一定逻辑交替进行工作［13］（见图7）。

图7 防短路XOR-AND组合逻辑电路图

2.2.3 电源供给电路设计

根据硬件电路中不同的电压等级需求，对输入电压进行等级划分［14］（见图8）。

图8 多级电压分配图

3 硬件电路实现

3.1 能量转换硬件电路

电路中的电子器件全部经计算分析后，选型采购制成实物（见图9）。主要包括PWM驱动模块，光纤接收器，MOSFET等。

3.2 数据采集硬件电路

考虑dSPACE硬件采集通道输入条件限制。采用LEM电流传感器，LEM电压传感器，匹配电路等电子器件并对采集信号进行一系列的采集、滤波、放大等转换处理（见图10）。使处理过的信号能够与信号采集硬件匹配。

图10 电压和电流采集电路实物图

4 结 语

基于燃料电池的工作原理，设计出替代燃料电池工作的模拟器整体方案。同时，根据测试给出的边界条件实现了模拟器硬件部分的参数计算，电器元件选型以及实际电路的设计和实现。为下一步基于dSPACE硬件上，运用Matlab来设计开发模拟器控制软件奠定基础。