燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究

1、燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究 山东科技大学学士学位论文 摘要 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。 但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。 本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜

2、燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将5 KW质子交换膜燃料电池组85120V的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。 关键词: 燃料电池 D

3、C/DC变换器 Boost电路 Multisim Matlab/Simulink 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 ABSTRACT Fuel cell is a device which can transform chemical energy directly into electric energy. It is a green energy of high efficiency .which has various advantages such as high efficiency of power generation and density, environment

4、friendly, stability and reliable operation, so it is regarded seriously by more and more people,becoming one of the most promising energy technology. However, the output voltage of the FC is not always very high and varies largely as the load changes.Therefore, power converter is essential in the Fu

5、el cell generation system.which can boost the voltage of the FC and stabilize the voltage of the output of the power converter, in order to get required DC or AC. This paper mainly studies the DC/DC converter of the fuel cell generation system.This paper first introduces the background of selection

6、of this subject, analyses the working theory and the output performance of PEMFC.Then, the paper introduces different innovation in DC/DC converters used in fuel cell system .What is followed is the key part, according to the characteristics of the electric vehicle and fuel cell system, boost circui

7、t is chosed to topologies of DC/DC converter. Meanwhile, the paper presents the development and accomplish the conversion,and given analysis of the working principle of the circuit .The goal of the design is to boost the output voltage of 5KW PEMFC system varing between 85120 V, to about 375V so tha

8、t it can be inverted to 220V AC to supply for the light vehicle.With theoretical studying the design,criterions of key circuit parameters are gained,finally the author simulates the boost circuit for fuel cell with the software Multisim and Matlab/Simulink, in the end analyses the output waves,the a

9、dvantages and disadvantages of this design. Key words: fuel cell DC/DC converter Boost circuit Multisim Matlab/Simulink 山东科技大学学士学位论文 目录 1 绪论 . 1 1.1 本课题的背景及意义 . 1 1.2 燃料电池的工作原理 . 2 1.3 燃料电池的工作特性 . 4 2 常见的直流变换器 . 6 2.1 基本元器件及技术 . 6 2.2 基本的直流变换器 . 9 3 直流变换器的设计 . 12 3.1 直流变换器的性能要求 . 12 3.2 国内外的研究发展 . 1

10、3 3.3 电动汽车中变换器的设计 . 14 4 boost变换器的建模与仿真 . 20 4.1 Boost电路参数的设计 . 21 4.2 Boost电路的建模与仿真 . 23 4.3 本方案的优缺点分析 . 32 5 结束语 . 34 参考文献 . 35 致谢辞 . 37 附录 . 38 山东科技大学学士学位论文 1 绪论 1.1 本课题的背景及意义 随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用,传统石化能源的储备逐渐减少，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。全世界致力于风能、太阳能等可再生能源以及燃料电池等绿色能源的开发与利用，其中燃料电池发电系统具有安装简单、不受阳光、风等自然条件限制

11、、发电效率高、功率密度大、环境友好等优点，成为具有广阔发展前景的新能源发电技术之一1。 燃料电池是一种电化学的发电装置，它能量转化效率高、噪音小、污染少，是一种先进的能量转换装置，并且它的应用十分广泛，可以应用在任何需要能源和动力的领域。随着我国汽车保有量的增长，石油资源不足引起传统燃料供需矛盾日益突出，汽车尾气污染也越来越严重。以燃料电池为动力的电动汽车是解决这些问题最有效也是最现实的措施。但是燃料电池本身产生的不稳定直流电，以及目前的燃料电池输出特性偏软及动态性能较差的特点使得其直接作为动力源并不合适，因此必须配备功率变换器，来调节、控制和管理电源输出，以得到符合要求的直流电或交流电能。因

12、而，随着燃料电池产品与技术的发展，针对燃料电池应用的电力电子变换装置与技术的研究与开发已成为一项重要的课题。 燃料电池输出的不稳定的低压直流电可经DC/DC变换器升压，再经过逆变后提供用户使用。为了获得高效率的燃料电池变换器，研究低压直流输入、低成本、低污染、高效率、高功率密度的DC/DC变换器有着十分重要的意义。 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 1.2 燃料电池的工作原理 1.2.1 燃料电池简介 依据电解质的不同，燃料电池分为五大类，碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC

13、)等，其特性见表1-12。 表1-1 主要燃料电池及其特性 电池类型 燃料 氧化剂 工作温度（） 效率 AFC 纯氢 纯氧 50-220 6090% PAFC 天然气、氢 空气（氧气） 150-220 3742% MCFC 天然气、煤气、沼气 空气（氧气） 650左右 >50% SOFC 天然气、煤气、沼气 空气（氧气） 900-1050 5065% PEMFC 氢、甲醇、天然气 空气（氧气） 60-80 4358% 汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂 家庭电源、汽车、热电联产、计算机电源、手机电源等 应用领域 太空飞行、国防 热电联产电厂 联合循环热电厂、电厂

14、船、铁路用车 电厂、家庭电源 开发状态 宇宙航行 工业用200KW电池 280KW 100KW试 2MW试验 验电厂 电厂 山东科技大学学士学位论文 质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快，且使用无毒性的固态电解质膜，可以做到真正的零排放，而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度，在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力，其发电技术的应用研究已在世界范围内掀起高潮，成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。 1.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理 质子交换膜燃料电池是发展较晚的一种新型燃料电池，其原理图如图1-13。电解质是一种全氟磺酸型固体聚合物，

15、在增湿情况下，可传导质子。它一般采用铂/碳或铂钉/碳作为催化剂，氢为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为电极板，工作环境温度一般为6080，属低温燃料电池。质子交换膜型燃料电池中的电极反应类同于其它酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应： H2?2H?2e? （1-1） 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。反应式如下： 1O2?2H?2e?H2O （1-2） 2 总的化学反应为： 1H2?O2?H2O （1-3） 2 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 图1-

16、 1 质子交换膜燃料电池工作原理图 1.3 燃料电池的工作特性 1.3.1 质子交换膜燃料电池的静态特性 燃料电池的输出特性一般包括伏安特性(I一V曲线)和功率特性(I一P曲线)。实际燃料电池的不可逆损失常被称为极化过电势或者过电压。它主要有如下3种极化导致不可逆损失；活化极化，欧姆极化，浓差极化，这些损失就会导致燃料电池电压小于理想电势。质子交换膜燃料电池的伏安及功率特性如图1-2中曲线所示。 3 山东科技大学学士学位论文 图1- 2 燃料电池的输出特性：伏安特性和功率特性 由图1-2中的曲线可以看出，在燃料电池加负载的起始阶段，电压下降较快(活化极化区)；随着负载的增加，电压近似线性下降，

17、但是下降的幅度比普通电池要大(欧姆极化区)；而在浓差极化区，电压进一步下降。所以，燃料电池的输出伏安特性是一种软特性，电压变化比较大。此外，电压值较低，使得燃料电池输出的电能不能被直接利用。同时，实际燃料电池的电流输出越大，电压输出就越低，从而限制了电池输出的总功率，所以一个高效的直流变换器输出平稳的电压以获得较高的功率，显得极为必要。 1.3.2 质子交换膜燃料电池的动态特性 燃料电池的动态特性3主要表现为： 1. 功率输出响应慢 前述的燃料电池的静态特性是在固定的燃料压力与流量条件下的电压电流特性。图1-3为燃料电池对负载电流阶跃变化的响应。而实际应用中，系统将根据负载功率调节燃料的流量以

18、提高系统的效率。当负载条件变化时，如负载电流突然加大，燃料电池系统需对燃料流量、压力作调节，而这一调节过程往往具有较大的时间常数，才能得到稳定的输出功率。 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 图1- 3 燃料电池对负载电流阶跃变化的响应 2.电流纹波的影响 基于上述类似的理由，负载扰动引起的低频电流纹波是有限制要求的。当输出存在低频电流纹波时，根据燃料电池的输出特性，燃料电池的输出电压和输出功率也相应地有波动456。由于调节速度慢，燃料流量必须设置到峰值功率所对应的流量值，在峰值功率之外的工作点上，燃料的利用率则下降。有研究7表明：频率低于120Hz，幅值超过平均电流4%的波动电流会对

19、燃料电池造成使用寿命缩短、输出功率降低等损害。因此，系统的设计必须考虑对低于120Hz纹波电流的抑制，降低纹波电流对燃料电池的影响。同时，电流纹波还将在内阻产生纹波电压以及附加损耗，所以必须加以抑制。 2 常见的直流变换器 2.1 基本元器件及技术 2.1.1 半导体及电力器件的选择 晶闸管又叫可控硅，由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。它和二极管一 山东科技大学学士学位论文 样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。

20、功率场效应管(MOSFET)由于单极性多子导电，有高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压作用下其寄生电容充满电，如果在它开通之前不将这部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小以致消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。在低输入电压时，MOS管中的导通损耗快速增加的一个很重要的原因就是导通设备的电阻特性，使得导通损耗正比于输入电流的平方。 而IGBT呈现的近乎是一个恒压降，而且它的导通损耗是线性地正比于输入电流的。这使得在大电流场合时常用IGBT来代替MOS管。IGBT最大的不足在于集电极存在电流拖尾现象，使得它的关断时间很长。这增加了

21、开关的关断损耗，也限制了最大开关频率。为了使得整体的效率比较高，因此IGBT最好在ZCS状态下关断。 变压器是电力电子产品或开关电源中重要的、必不可少的部件，平面变压器是近几年才面世的一种全新产品，其突出优点是能量密度高。因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%99%；工作频率高，从50kHz到 2MHz；低漏感、低电磁干扰等。 2.1.2 控制方法 非谐振型DC-DC变换器的控制方式可以分为：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、PWM和PFM混合调制三类。其中常用的传统控制方式是恒频脉冲宽度调制。 PWM型DC-DC变换器通常需要对被控输出变量采用闭环控制

22、，以使变换器对输入电压变化或输出负载电流变化能及时调节，并具有期望的动态响应。传统的常采用电压型控制，电压型控制只对输出电压采样，并作为反馈 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 信号实现闭环控制，以稳定输出电压。但仅采用采样输出电压的办法，其响应速度慢，稳定性差，需要额外的电路来控制输出电流，甚至在大信号扰动时会产生振荡，从而损坏功率器件。 电流型控制方法正是针对电压型控制的缺点发展起来的。它增加了电流反馈环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90?相位滞后，因而很容易不受约束地得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。 2.1

23、.3 软开关技术 所谓硬开关技术，是指开关管上的电压(或电流)不为零时，强迫开关管开启(或关断)，这时开关管电压下降(或上升)和电流下降(或上升)有一个交叠过程，从而导致管子在开关过程中产生开关损耗，而且这种开关损耗与开关频率成正比。 集成化、小型化和高频化的发展迎来了软开关技术开关管在开启或关断的过程中，其电压或电流为零，从而使开关过程中管子的损耗接近于零。软开关技术的实质是在硬开关上增加电感与电容构成谐振电路。在开关换流时，利用电感与电流的谐振迫使开关上的电流或电压下降为零。 软开关方式可划分为ZVS工作方式和ZCS工作方式。ZVS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，在变换器中开

24、关管电压在开启或关断过程中维持为零。ZCS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的限流作用，在变换器中开关管电流在开启或关断过程中维持为零。前者又称为零电压开启，后者称为零电流关断。直流开关电源的软开关技术一般可分为：全谐振型变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器。 山东科技大学学士学位论文 2.2 基本的直流变换器 把直流电压变换为另一数值的直流电压，最简单的办法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会接通，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是DC/DC变换器的基

25、本手段，类似于“斩波”作用。所以，DC/DC变换器，亦称为直流斩波器，将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。 DC/DC可分成PWM式、谐振式和它们的结合式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器分为隔离与无隔离两类。非隔离型中有六种拓扑:Buck降压、Boost升压、Buck-Boost升降压、Cuk、Sepie和Zeta变换器。隔离型包括正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。下面就两类中分别介绍几种基本的变换器8】。 2.2.1

26、 非隔离型变换器 1.Buck降压变换器 图2-1中，Buck为降压变换器。当开关管S开通时，Ui通过S与L向电容C和负载R充电；当开关管关断时，电感L续流，逐渐降低，电容的电流将由正逐渐降为零，并变为负向，向负载充电。直到开关管开通，电感L中的电流增加。 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 Ui 图2- 1 Buck变换器拓扑 2.Boost升压变换器 图2-2中，Boost为升压变换器。当开关管开通时，Ui通过L与S向L电容向R充电，电感L中的电流增加；当开关管关断时，Ui与L同时向负载R与电容C充电，电感L与D中的电流由最大值减小，如果减到零值，则为电流断续工作方式，减到某一正值

27、后上升，则为电流连续工作方式。 R Ui 图2- 2 Boost变换器拓扑 2.2.2 隔离型变换器 1.半桥电路 如图2-3，半桥电路可以做为单相逆变器或直流变换器主电路拓扑。半桥电路相对于单端正激电路而言，开关管电压应力减小为输入电压Ui，变压器磁芯利用率提高了一倍。但是，半桥电路的缺点是：Cl，C2电容电压不对称可能引起变压器偏磁。 山东科技大学学士学位论文 图2- 3半桥电路 2.全桥电路 图2-4，全桥电路的优点: (a)主功率管电压应力较小，为输入电压； (b)相同的功率等级流过功率管的电流是半桥电路的一半； (c)变压器磁芯利用率高。 缺点: (a)开关管的压降或驱动脉冲的不对称

28、，会引起变压器铁心的偏磁； (b) 相当于两个功率管串联使用，导通损耗大； (c)存在功率管直通问题。 总之，全桥电路比较适用于高压输入的大功率场合。 Uo 图2- 4全桥电路 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 3 直流变换器的设计 3.1 直流变换器的性能要求 1.升压作用。功率变换电路前端DC/DC变换器的主要作用是，将燃料电池输出的不稳定电压变换为全桥逆变器所需的稳定的直流电压。但燃料电池本机输出电压一般不高，以8kVA质子交换膜燃料电池为例，它的输出电压范围是4049V，大大低于220V(单相)或是380V(三相)电网峰值电压。而现在应用比较广泛的不隔离逆变器大都为电压型逆变

29、器，有降压的特性。所以在燃料电池输出和负载之间必须接有具有升压功能的DC/DC变换器。 2.稳压作用。燃料电池自身的电化学特性决定了其输出电压随负载电流的变化呈现出较大范围内的波动。同时，为了合理利用燃料，燃料电池发电系统需要根据实际负载需求功率的变化调节燃料的供给流量和压力。这一调节过程通常有机械装置参与，因而往往具有较大的时间常数；同时，影响电化学反应的各种因素，如电池堆的温度、湿度等也是缓慢变化的过程，这使得本来就不稳定的输出电压变得更加不稳定【6】。因此，前级DC/DC变换器不仅需要具有提升电压的功能，还应该在燃料电池输出电压宽范围变化时，提供给后级逆变器稳定的输入电压，并保证负载突变

30、时，系统也能稳定工作。 3.抑制纹波。纹波电流对前置电路以及燃料电池的工作会造成影响。有研究表明，频率低于120Hz，幅值超过平均电流4%的波动电流会对燃料电池造成使用寿命缩短、输出功率降低等损害。因此，系统的设计有必要考虑对纹波电流的抑制。降低纹波电流对燃料电池的影响【4】。 山东科技大学学士学位论文 3.2 国内外的研究发展 国内外对燃料电池DC/DC变换器都做了很多的研究探索。对燃料电池DC/DC变换器的研究集中在对传统的变换器进行改进，或采用更优的控制方法，使变换器得到更优的性能，以满足燃料电池的特殊要求。 燃料电池的输出特性非常的软，也就是说当负载发生变化时输出电压波动相当大，当按照

31、最低范围来设计主电路变压器变化时势必变比会很大，当燃料电池输入波动到最高范围时，由于按照最低输入设计的变压器变比很大，则会引起很大的反向尖峰电压在开关管上，这样会增加开关管所要承受的应力，对元件损耗过大。针对这样的情况，文献9中设计研究了一种2级DC/DC电源变换器，前级电路为Boost结构，后级电路为移相全桥结构，主电路如图3-1所示。前级的Boost电路对其进行调节，经过变换后的电压可以达到一个稳定值，为实现大功率的需求，前级输出作为后级全桥移相的输入，经过变换得到稳定的电源.。 Ui 图3-1 DC-DC电源变换器主电路 文献10中前级DC/DC变换器，由Boost 和PPF 变换器组成

32、，其中推挽正激部分工作于最大固定占空比，开关管和输出整流管电压应力小，有利于变换器的优化设计，由于推挽正激变换器输入电流不容易控制，故提出了两 燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 级式DC/DC 变换器，PPFC为变压器的漏感能量提供了释放回路，抑制了开关管两端的关断电压尖峰。通过控制Boost 的电感电流来控制输入电流变化率及工作稳定值，其主电路结构如图3-2所示。 Ui 图3-2 Boost+PPF变换器 文献11研究了电流源输入的直直变换器，由于燃料电池低压大电流输出特性，电流源输入变换器存在输入电感大，启动困难等问题。文献10研究了全桥及推挽结构的变换器。由于输入电压范围宽，全桥变换器很难保证零电压开关的范围，同时移相全桥变换器更适合于高压输入场合，普通的推挽变换器存在开关管电压尖峰问题。文献12提出了推挽正激变换器，有效地箝位了开关管电压尖峰问题，同时由于箝位电容引入的环流电流，使得输入电流连续，减小了输入滤波器的体积。 3.3 电动汽车中变换器的设计 3.3.1 电动汽车的动力系统 介于质子交换膜燃料电池的诸多优点，质子交换膜燃料电池在固定电站、交通运输、军用特种电源及可移动电源等方面都有广阔的应用前景。 在众多应用中，运输工具是最有竞