燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究解析

山东科技大学文要料电池是将化能直化为的装是一效的色、洁，日益青成为最前术一。但本压般出流电压随变化很变因发系升功变其要组成输压具有升功变装置不流电变换求流。本文主要研了料电发电系统中流变换首先本论文介绍原义，并交膜燃料输特性做了分析。其了常见的DC/DC的拓扑和性在系直流变研创新成果，据输动特选Boost电结构为流变换。次本题的将质子交换燃料电池组85~120V的输电压，换375V电，为主动。根据对电原理的析，并置电主要的，Multisim、Matlab/Simulink行和，并分析出压电压、电压和电流分的可行和之。:燃池换器Boost电第页页燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究directlyintoenergy.Itisagreenofhigh.whichhasvariousadvantageshighefficiencypowerandenvironmentfriendly,stabilityoperation,soitisregardedseriouslybymoreandmorepeople,becomingofpromisingHowever,voltageoftheisveryhighandvarieslargelyasloadessentialcellcanthevoltageofandtheoftheoftheinordertorequiredDCorThispapermainlystudiestheDC/DCconverterfuelcellsystem..Thispaperintroducesofsubject,workingandtheoutputthepaperintroducesdifferentinnovationinconvertersinfuelcellsystem.Whatisfollowedisthekeyaccordingtotheelectricvehicleandfuelcellsystem,boostcircuittopologiesofDC/DCconverter.Meanwhile,thepaperpresentsdevelopmentandanalysisofworkingofthecircuit.Thegoaloftheboosttheof5KWPEMFC85~120toabout375Vsoitbeinvertedto220Vthelightvehicle.Withdesign,criterionsofkeycircuitparametersthecircuitforfuelcelltheandintheendtheandKeywords:

fuelcellDC/DCconverter

Boost

第页页

山东科技大学文录绪论1.1本课题的背景及意义1.2燃料电池的工作原理1.3燃料电池的工作特性器2.1基本元器件及技术2.2基本的直流变换器计3.1直流变器的能要求3.2国内外研究展3.3电汽车中换器的设计4换器模与4.1Boost电参数的设计4.2Boost电的建模与仿4.3本方案的缺点分5

束语献致谢辞附第页页山东科技大学文1

论义随着石油煤和天然气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到人们的重。全世界致力于风能、太阳能等可再生能源以及燃料电池等色能源的开与利用其中燃料电发电系统具有安装简单、不受阳光、风等自条件限制、发电效率高、功密度大环境友好等优点为具有广阔发展前景的新能源电技术之。燃料电池是一种电化学的发电装置，它能量化效率高、噪音小、污少，是一种先进的量换装置，并且它的用分广泛，可以应用任何需要能源和动力的领域。随着我国汽车保量的增长，石油资源不足引起统燃料需矛盾益突出汽车尾污染越来越重。以燃料电池为动的电动车是效是的。是料电池生的不电以及前的燃料电池出动能的点使得其为力并不，备率换，来制和电源出，以得到要的电电能。，随着料电池与技术的发展燃料电池应用的电力电换装置与技术与开发成为一重的。燃料电池出的不的电DC/DC再供用使用得高效率的燃料电池换、成染效率高功率密度的换有着十分重要的。第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究

理

燃料池简介(AFC)酸型燃料池、融碳酸盐燃料电池、固体氧化物料电池及质子交换膜燃料电池等，其性见表1-1。表主要料池其性电类型PAFCMCFCPEMFC天气煤煤、燃料氢气氢气沼气气气空气（氧气（氧气（氧剂氧（气）气）））工作温度150-220左右（℃）效率42%>50%50—65%43汽车水应领

艇移电联合环话笔本太空热电产电电庭电家庭行国厂厂路电源加热器热用电产电厂电、开状宇宙航行

工用试验200KW电池电厂

100KW试验厂

热电联产算机电源手机源等第54页页山东科技大学学士位论文质子交换膜燃料电池工作温度、结紧凑质量、启动速度快，且使无毒性的固态电解质膜，以到真的零放，且适宜于频繁启场合、具有比其它类型的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，成为当前国际上燃电池研制开发的热点

子交膜燃工作理质子如图1-1

[3]

。电解质是一种全氟磺酸型固体聚合物，在增湿情况下，可传导质子。它般采/碳或/作，为为，有气体流动的石墨或表面性为温般为60~℃低反其性阳极层在作发反应2H

e

（）该电极反应产的电子经外电路到达阴极氢离则经电解质膜到达极。氧气与氢子及电子在阴极发生反应成水。反应式如下：

H2

HO2

（）总的学反为：H2

HO2

（）第页共61燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究图质子交工作原理图

性

质子交换料电池的静态[3]燃料电池输出特性一般括伏安特性(I一线)性一线)实际不势或者压主要有如下3种极化致不可损失；化极化欧姆极，浓差化，这损失就导致燃电池电小于理电势。质子交膜燃料池的伏及功率特性图中曲线所示。第54页页山东科技大学学士位论文图2燃电的输特伏特性功性由1-2中的曲可以出在燃料电池加负载的起始阶段电压下较(活化极比电池要大(欧姆极化区)燃料电的输出伏安特是一种软特性电压变化比较大。此外，电压值低，使燃料电池输出电能不能被直利用。同时，实际燃料电池的电输出越大，电压输就低，从而限制了电输的总功率，所以一高的直流变换器输出稳电压以获得较高的率显得极为必要。

质子交换料电池的动态性燃料池的态特性[主要表现为：1.功率输出响应慢前料池静特是固定的料力与流量条下压流图为燃料电池对负载电流阶跃变化的响应。而实际应用中，系统将据负功率节燃的流以提系统效率当负条件化时如负载电流突然加大，燃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常数，才能得到稳定的输出功率。第页共61燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究图燃电池对负载流阶跃变化响应电流纹波的影响基于上述类似的理由，负扰引的频流波是有限制要求的。当输出存在低频电流纹波时，根据燃料电池输出特性，燃料电池的输出电压和出功也相应地波[[4][5][6]置到峰值功率所对应的流量值，在峰值功率之的工作点上，燃料的利用率则下降有[7]表明率低于120Hz幅值超过平均电流的波动电流会对燃料电池造成使用寿命短、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影响同时，电流纹波还将在内阻生纹波电压以及附加损耗，所以必须加以抑制。2

常见的直变换器件半导体及力件的选择晶闸管又叫可控由四层半导体材组成的，三个PN对有三个极第一层型半导体引出的电叫极A，第三层P型半导引出的电极叫控制G，第四层N型半导体出的电极叫阴极K。和二极一第54页页G(ZVS)IGBT现近乎降线地合IGBT来替IGBT最足集存拖尾现象间长限最整体此IGBT最ZCS状态变力产品或源、必可面变几年才面世产突出优能密体积缩相当常规变20%；常；频到2MHz感干等

控制法非谐型换可：脉宽((PWM)、脉冲频调(PFM)、和PFM混合调三类常传统恒频脉冲宽调PWM型DC-DC换常需对量变换变出负变化能及调节并响传统常型型只对出并反61燃料电池发电系统端DC/DC变换的研究信号实现闭环控制以定输出电压。但仅用样输出电压的办法其应速度慢，稳定性差，需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，从而损坏率器件电流型控制方法正是针对压型控制的缺点发展起来的它加了电反馈环，电感电流不再是个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条后，而很易不约束得大的环增和完的小信大性

软关技术所谓硬开关技术，是指开关管上的电压(或电流)不零时，强迫开关管开(或关断)这时开关电压下或上升)电流下降或上升)有一个叠过，从而导致管子在开关过中生开损耗而且种开关损耗与开频成正比集化小型和频化的发展迎来了软开关技术—开管在启或关的过程中电压或流为零而开过程管子损耗近于。软关技术的实质是在硬开关增电感电容成谐电路在开换时利用电感与电流的谐振迫开上的流或压下为零。软关方式可划分为ZVS工作式和Z工作方式。ZVS工作式指利用振象有关器件的位用在变换开关电压在或关过中维持为零。Z工作式利用谐现象及有关器件的限作用，在换器中关管电在开启关断过中维持零。前又称为电压开启，后者称为电关断。直流开关电的开关技术一般可分：全谐振型变换器、准谐振换器和多谐振变换器、零开PWM变器、零转换PWM变第页共61山东科技大学文

变电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，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DC/DC变换器的基本手段，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的通断控制，将直流电压断地加到负载上，通过改变占空D来变输出电压的平均值。DC/DC可分成PWM、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。非隔离型中有六拓扑:Buck降压Boost升压Buck-Boost升降压、Sepie和换器。隔离型包括正激、激、、半、型换器。就两类中分种本的变换器[8。

非隔型换1.Buck降压换器2-1中，Buck为降压变换器。开关开通，Ui通过S与电和负载电开关，L续流，降低，电的电流将正降为，变为负负载电。直到开关通，电L中的电流加。第页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究S

Ui

CＲ图Buck换器扑2.Boost升压变换器图中，Boost升压变器。当关管开时，Ui通过L与L电容向R充电感L中电流加当开关关时Ui与L同时向负R容，感D的流由最大值小如果到值则为电流续作式减到一值上，则为电流连续工方。LUi

DS

C

R图2Boost变换扑

隔离型变换器1.半桥电如图，半路可单相逆变或直流变器主电路拓半桥路相单正激路而开关压应力小输入压变压器磁芯用率提了一倍。但是半桥电的缺点是ClC2容电压不称可能引起变压器偏磁第54页页山东科技大学文Ｓ１Ｃ１ＵｉＳ１

Ｄ２Ｃ２图3半电路2.全桥电路图全桥电路的优点主功率管电压应力较小，为输入电压；相同的功率等级流过功率管的电流是半桥电路的一半；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，会引起变压器铁心的磁；(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图4全电路第页页DC/DC3

直流变换器的设变1.DC/DC8kVA220V())DC/DC2.械装置参往数；影响反各种因如堆温度、湿度等也慢使得来就得更加【6因DC/DC3.置120Hz4%、影响61山东科技大学文

内池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控法得性特输软也就是说当负载发生变化时输出电压波动相当大，当按照最低范围来设计主电路变器变化时势必变比会很大，燃料电池输入波动到最高范围时，由于按照最低输入计的压变比很大，则会引起很大的反向峰电压在开关管上，这样会增加开关管所要承受的应力对元件耗过大针对这的情况文[9]中设计究了种级DC/DC电源变换器，前级电路为Boost结构，级电路为移相全桥结构，电路如图所示。前级的电路对其进行调节，经过变换后的电压可以达到个稳定，为实大的求前级输出为后级全桥移相的入，经变换得稳定的源.Ui

SC

S1S2

11

S3S4

C3C4C2TrDR1CfR

UoDR2图3-1DC-DC电源变器主电路文献[10]中级变器BoostPPF变换器其于最大定比，开关管输管压应力，于变换器的优化设，由换器输入电制，出了第53页页DC/DCPPFCBoost3-2LaDa

Ci

Sa

Ca

1

S1

S2

2

Boost+PPF[[10][12]

中变电动汽车的动力统介子交诸多优点子交固站交用可方都阔用众多应用中具是最竞争力、景最应用是力质子交膜方是61山东科技大学文在中国燃池。将燃电池在汽上，可以采用燃料电池、辅助电池和超级电组合动力统，图，其质子换膜料电为主池，离子池为助电行驶过程中燃料电作为主能量源提供驱动汽车所需的功，锂离电池来提不足率或收多功率超级电容主要用于回收和出瞬间大电流。按照一定的控制策略，多能动力总成控制系统对三者的出或输入功率进行合理优化分配，满足复杂市工况下的行驶要求。这种能源动力总成控制系统利用三种能量源各自优势协控制工作模式和功率分配，同时改善汽车动性能和能量效率，其优势互补是单能量源系统不具备的。图３电动汽车动力系图本文以轻型辆为例，其中质子交换膜燃料电池堆为主电池，锂离子电池组为辅助电池，来研究动力系统中的主DC/DC换。第页页燃料电池发电系统端DC/DC变换的研究3.3.2器结的确定在以料电为主动力源，锂离子电池组、超级电容为辅助动源的燃料电池车的多能源动力统中由于受燃料池输出电压变化大,输出特性软及响应速度较的影得采用直接从燃料池给动电供电的方变得不太现实改善燃料电池的输出特通过直流直流变换器(DC/DCerter)将燃料出在燃料池汽车主要采升压变器。另，按实原理，流—直流变换器可分：直—交直换器斩波器。—交—直换器首通过力电子器件将直流电源转成流电然后过变器升压，最后通整流、滤波电路生变压后的直流，以供负载使用斩波器是利用电电子技术中的晶闸或自关断器件直流电电压断加到负上过通断的时间变化来变负载电压平均，实现升降压。直—交—直变换和斩波器都可以现电压的改变同时改电源的出特性但同时各有特。直——直变器由于用变压改变直平均电压，所以输入输部分是完全隔离的而波器则是共地的，于波采用电力电子器件，损耗要开关自身开关耗，而直—交—变换器的损耗还有变压器的铜耗和铁耗。比之下后者的损耗较大，效率低、同时体积也较大。在燃料电池汽车中，虑到在电气上各个动力部件是共地的，同时又由于汽车的空间有限及济性等原因，一般采用斩波器来实现直流电源的升压，本方案采用升压路结构作原理升压换器输出压高输入电压的单管不隔离直流变第页共61山东科技大学文管、储感、二极管及滤波电容成。为分析稳态性，简化推导公式的过程，特作如下点假【12：(1)开关开关管极管均是理想元件也就是可以瞬间“导通止且导通”时压降为止时电流为零；电容是理想元件感工作在线区而未饱和生电阻零，电容的等效串联电阻为零，稳态开关周期中感电流始终大于零，即变换器工作模；输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。电路有种工作方式电电流连续模（CCM和感流断续模（DCM工方。感流连指输滤波电感L电流总是大于，感流断续关关断期有一段电感L的电流为。升压电路在电感电流连续模式下的工作原理如图所示，换路的感输入侧，一般称之升压电感。开关管仍为控方式，但它的最大占空比D必须限制，不允许在情况下工。图、图为开关管处于导通和截止状态时的等效原图。LUi

DS

C

R图式变电原图第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究Ui

LDC图开关时的等图

RUi

LDC图开关时的等图

R图3-6式DC-DC变电输波形第54页页onisononison山东科技大学文图3-4可以看，在关管通时电源储能件电感L图3-5可看出开关截止时电感L电L上的电流逐渐减小电容起到滤波的作用，使载上的电压的波纹减小。图显示了电感L上电流的换形电压波形。在时开管导通，电源电压Ui全部加到升压电感L上电感电流线性增长这时二极管截止负载滤容C供电。Ldt

i

(3-1)当t时i达最大值Ii通二极管导期间i增长量ionLLmaxLLL(为

L(

UUiiLL

DTs

(3-2)在t时刻，开关管关断，通过极管向输出端流动，电源功率和onL电感的储能向负和电容转移给电，此时加在的压为U，因U，故i线性小。ioiL

Ldt

(3-3)当t，达到值I，在关管截止期间，i的增量sLLL

L(

为L(

UUoiT)oiLL

(1D)s

在t时，开关管又导通，开始另一个开关周期s由此可见，Boost变换器的工作为两个阶段。在开关管导通为电感L的能段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储在电容C的能量持工作在开关管关断，源电共向载电此还电充电，此Boost变换器的输入电流就是升压电感流的平均值。第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究IL

(ILmaxLmin

)

(3-5)开关管和二极管D轮流工作S导时，流过它的电流就，S截L止时，流过的电流也是，过它的流i和i相加是升电的电LD流i，态工时容充电等放量通过容的均流为，L故通二管的电平值是载电流并此开关管导通期间电感流增量等它开关管量式L(((3-2)和(3-4)可得出输出电压与输入电压的关系：

i

同降压式DC/DC相，由于D，因此这电路起到升作用。工过程中，整功率关管的导时间或关周期都以改变电压。4换器建模与真质换膜燃未电动汽的最质膜主源范为，设计电动汽车动力统中的压直流变换器。图4-1为料池系的供电结构的化图。由于燃料电池的输特性特别软，而且电压较且为直流电，这不合接应用。所以需要一直流变换器将宽范围低直流电稳定并升压然再通过的变，将直流电变220V的交电，供给负载使用。根据理论计算，DC/AC变换器直流侧的最低电压要为2202即。事实上，由于存在开关管压第54页页[14][15][14][15]山东科技大学文、等DC/DC定375V是比较FC燃料

变换器

C

DC/AC变器

用户电池图电二级系统图参如图4-2，在电路，能感L和波容整电的能起着关要作，我对用Boost电路这两个重要元件的数进行详细分析和设置。Ui

DS图4-2电图

C

R1.储能电L的择电感设对稳定料电池输出电起着重作用。Boost电路中电设计有个基本求：一要使电尽量工在电流续工作态下，是第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究电感决定了输入端的高频纹波电流总值15感中的电流应满足IL

这样，电流连情况下储能电感为L

UDTi2UIo

(4-2)虑电值饱问，小值及压耗题这取波流值为

ion

4I

i

(4-3)所以(4-4)式中，10，U，U，，计算得：ioL113uH，这我们取120uH。2.滤电容的择到输容器择因有：频率波电波纹流、输出、输纹波和维间。开关导通期，电容供全部负电流，时电容的电流就于输出电流。而此期间电容上压的变化即为输出电压的纹波电压开关于态时，电容其电流为关断时感中的感应电动势迫使二极管导通面给负载供电另一补当关通电容减少电荷。第54页页山东科技大学文IT((C

(4-5)以

IUR

(4-6)为满足输出纹波电相对值的要求，滤波电容由下面子决定

DToi

式，4，kHz，U，V，，oi根据式经计得：C25，里们取C40u。与仿4.2.1仿的简介有、MultisimMatlab/Simulink、ORCAD等下就常用的Pspice、MultisimMatlab/Simulink三种仿真软件进行介绍。1.Pspice模是一种功强大模拟路和字电混合真软件。它可以行各种各样的电路真激励建立温度与噪声析波形输出数据出，并在同个口同时显示模与字的仿真结果对哪种哪些电路进行真包括绝栅极晶体管、脉宽调制电路模/数转换数/模转换等都可得精确的仿真结另还可自编辑元器件。2.Multisim建模Multisim是美国I）有限司出仿真工，用于的模数字电的计。包电的形输第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究入电路硬描述语输入方式具有丰的仿真析能力可现计真设拟实，与统的电子电路设边的器件器仪表齐各种的路可方电路参和的器的器件的种受的电路可以直接产品中使用3.Matlab/Simulink建模Matlab国际流行动态系统仿真软件于平台的是动态统仿真域中最为著名的仿集成环之一，它在通信与星系统、航天航空系统生系统、船舶系统、车统、金融系统等领有用。用行统的模最的点是、用，Matlab丰富的仿真。Simulink有式、的建模境、式的仿真环境、用模Blockset是Matlab的对电路力电子电力动统进行真的软件具建模用不模中的系统模它接可以方便地对所述器进行仿真。上的中可以对DC/DC变换器建有不的方法Pspice模型是基于态的建模，使仿真现实的真实度受制，为高仿真模型的真实度，建于实际模型入，用、软对本设计的变器进行建模和分析。第54页页山东科技大学文4.2.2Boost电路的建与仿真根据前对仿真件的分析分别用Multisim、Matlab/Simulink件对设计的变电路进建模和分[16]在中的真模型与分析设的仿真参数为：~120VL120uH40100,i开关管为型号为IRGBC30F，工作频率fkHz，占空比D，二极管为IN4007GBltisim中建立的路模型，图4-3：图电在Multisim中真型在U、、时，分进仿真，通测的输第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究图

U时的输电波i图

i

时的输出电压波第54页页山东科技大学学士位论文图

Vi

时的输出电压波图

Ui

时的纹波电压波第页共页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究图

Ui

时的纹波电压波图

Ui

时的纹波电压波第54页页山东科技大学文图4-44-6可以燃料电池的出电压得到了高4ms后达稳定在375V左右到了将入电压升压为375V的输电压预期目标。如图、、所示，可以看出输出电压不稳定在375V左，且纹电压也控制在4%内，达到了预期目标.

但当输入电压120V时,输出电压的值与理论值不一样,这是因为理论推导值有一定适用范围模型的电值与电容值的配关系对于占空比以及开关频率说不满足理论推导的条件所以时理论推导值仿真值是不一样的利用件我们建立了与实际电路相仿的模型得到了初步的结面利中模与Matlab无缝合进更细致的分析。2.在Matlab/Simulink中的仿真建模与析Matlab/Simulink中一个模块库它为电系统和电力电子电路仿真提供所需要的丰富元件库其基本建模想是使用模块中直出的电元件实际电路进行建模，仿真模型与实际电路相。图电在Matlab/Simulink中的模第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究在已经对Boost电路的功能进了基本的分析下面我们在Matlab/Simulink中做一的致析参照同tisim中仿真模型同的参数在Matlab/Simu中可建立如图的模型。对各元设置好真参数后选择仿真法ode23tb可以得输出电压、脉冲信、开关管的电压及电的仿真波形如图4-12、4-13、4-14。图4-11在Matlab/Simulink中输电压波第54页页山东科技大学学士位论文图4-12脉信波形图4-13开管的电波形图开管的电波形第页共61燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究图的输出电压的波形再次验证了路的升压功能燃料电池的85~120V的输出电压得到了提高并在内稳定在左达到了设计目标。两种软件的仿真波形表明，输出特性基本符合前面对电路基本特性分析。可见，前述的Boost换电路方案是可行的，并且符合整个系统的设计要求。比Multisim更为直的开关管的电压、电流等仿真波形，有利于对设计的Boost电路进行详细的分析。由图、、4-14可以看，在脉冲信号施加，即脉冲电压不零时段，关管导通，开关管上的电流线性增加至脉冲电压除，电流迅速减小至零。然而，上面三图形的比，可以到开关管被施加冲信后的开通过程有一定的压降，在信号撤除后有定的电流拖尾现象，根据功率计算公式

PIsss

，这会形成开关管的开通损耗和关断损耗这对于提高能量转换效率是不利的，这是方案电的不足之处。优燃料电池电动汽车变换器是一种升压电路，升压电路大体上两种解决方案一隔离方案(采用高频逆变+离变压器+整流滤波案；第二非隔离案升压斩方案。本文到的电路的升压方案属于非隔离方案，电路结构简单，需元件较少中较重元件只有斩波电感果能斩波电感设计得较轻，就能减轻整个装置的重量提高系统的功率密度。从电路形式来看，它是通过斩波电感的储能原理来升压的，其能量转环节较少，输出的能量一部分来自于波电感储存的量，一分直接自于输端，所整个装的效率较高。但是由于该电路是非隔离的，以输入、输出端会相互影响。第54页页山东科技大学文当输出端短路时会造成输入端短路；输出端离二极管出现短路，就会将输出端的能量传送到输入端，这对燃料电池非不利在大功率场合，单型电路工作在硬开关状态，在电流连续工模式下工作时，由二极管反相恢复，功率开关器件将产生很大开通损(这部分损耗将占电路总损耗的同时生很强的电磁干扰。这不仅降低了功率，更严重的是，由于损耗引温升，降低了可靠性。所以大功率时，Boost电路存在着严的缺陷文献17]很好的解决了二极反向恢复的问它采用零电压过渡(zvt)技术应用与Boost电路，善了电路存的缺陷，时了少电辅助管的关断损耗，在辅助管上加无损吸电路实现辅管的软关断DL

LrC1

S

Cr

D3

RSr图4-15zvt-boost器图zvt-boost电路的主管在零电压下开通，关断时，并联电容小了关断损耗其辅管由于增加了吸收冲电容，减小关损；而且吸电的能量向负释，有造成损。此电路可以好降低boosr电路的损耗。对于隔离方案，有其优越，它实现了输入端与输出端的电气隔离，增强了输出端接线灵性同时当输出端短路，很好的保护输入端将输入端隔离，同时输入端故障时也不会对输造成影响，这对于燃料电池电第53页页DC/DCLC却低往经验看果在上破满足动汽实际着堆必产设优良动汽动力届时动汽广受青睐环型工具5

束语在传源使、源机日益显现时代新源开与显得简单洁净、、运行可靠等特越受到人们青睐着广展景本文利时问题动汽例证boost可性文介绍作原详细述质子膜静态特态特性然列举比见在学国内果基础上5KW型辆设计并在、建模分性总结方案优点61山东科技大学文参宝廉.电池•原理•技术应[M].化学工业出版,2003,12-16韩冰燃料池独立发电系统DC-AC功率变器的计[D].大连大连理工大学15-19唐焕江燃料池发电系统DCDC变换器及缓冲器设计[D].连大连理工大学2009,18-21Genunen.AnalysisfortheofFuelCellOperatingCondition[J].ofEngineering,Vol.125:576一M.I.Sadli,P.Thounthong,Davat.humidificationdiagnosisofaPEMFCDC–converter.InternationalJournalofHydrogenEnergy,Volume34,IssueMarchPages2718-2723王燃料电池DC-DC变换器的研究[D].武汉武汉理工大学，2009,吴屏燃料电池发电系前DC-DC变换器设计浙江大学孙俊孙涛龚春英一种于前DC/DC器PowerKongChoiLT.,KhambadkoneAM.Analysiscontroloffullbridgeconverterfuelcellsystem[C]IECON，Busen，SouthKorea，PengWang,FZ,,etfuelcellsystemforpowerIEEETransactionson第53页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究，，：1315-1322．BoY,Letal.A，efficiencyandtransientregulatorDallas,USA,1999.16-21陈坚电子电力[D].高教出社,68-77杜慧太阳能光发电控制系统的研究北力学2008,36-42菊.BoostDC/DC[J].技术学院机电工程系2009,ScienceandInnovation1-3王仕方红兴.辅助管实现无损收零压换电路[J].力电技术2000.4黄智伟基于multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析[D].北京：电工出社2005.231-235邹燃料电池电车车载大率DC/DC研究.武工大学第54页页山东科技大学文致随着论的完成我的大学将束。回这四年我学到许多知，为我后学习、究和工打下了基。在论的完过程中，得到了很多人的热情帮助，在他们的帮助和鼓励下，我克服了许多困难，最终完成了课题的研究。首先我要衷心地感谢我的指导老师周明东副教授。在做论文的过程中，周老师悉心指导、循循善诱，一步步地启发的思路，而且不辞辛劳，帮我解决了一些遇到困，每次都使我有很的获。论文定稿过程，老师一次次在百忙中出时间仔细审阅论从结构局格用，周老师都提出了许宝的建议并最终使我论得以顺利完成周老师严谨致一不的治学作风是我学的楷模，同时我周师人不的工作的。感谢我的老师，教我知识，而教了学、做人，使我。同他们为我提了的学习，使我有学习多的知识。我要感谢在习和帮助和过我的同学们，是他使的大学过得有。，并不着我习生的结束，是一的。我要以的回和师我。第页页燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究录OnlinediagnosisofaPEMFCastaticDC–DCI.J.-P.Martin,P.S.B.Davat.InternationalJournalofHydrogenEnergy,Volume34,IssueMarch2009,Pages2718-2723ThistheonlineofthehumidificationofProtonExchangeMembrane(PEMFC).Indeed,orcandecreasethePEMFCandleadtoAnonlinehumidificationcanallowreal-timeAofmembranehumidificationstateitsresistance.Asknown,ionicconductivityincreaseswithcontent.TposedschememakesuseofmeasurementsofandvoltagefromassociationofDCDCconverterandthefuelcell.thusconsistsincomputingtheinternalindryconditions.Keywords:Protonexchangemembranefuelcell;converter;Humidification;1.protonmembranefuelcelloffersadvantagestootherfuelcellsasrelativesimplicityandlowappropriatenotonlycanimproveperformancesefficiencyofthefuelcellbutcanalsodegradationofcompositionmembrane.waterleadstowhich第54页页dl,aw,aw,cdl,aw,aw,c山东科技大学学士位论文ionicconductivity[2],voltagedropacrossthecausesflooding,theinthewithwatertransportofstisToanhyofeachareal-timeofhumidificationstateisAofthehumidificationstate[3]andThismeasuredbyaddingahighfrequencycomponentmainfuelcellIndeed,itiswellknownthatthe“small”behaviorofacanbeasinFig.1,byRandlesscheme[5].ofanelectrochemicalrepresentationacommonofItconsiststhreerstandingforresistanceandrrstandingforanodeandcathodechargetohyoxgenandCthecapacitiesattheelectrode/membrane,diffusiondiffusioninanodeandthe.Athighfrequencyschemecanbetotheohmicresistancerelectroniccontactcontributionisnegligiblecomparedmembranetheohmicareoftentointhisresistanceatfrequencydividingthebythevariation:(1)第页共6111燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究perimentally,frequencythealternativewhichr

issothatthephaseshiftbetweenvoltagecurrentnullInthisweameasurementforrnotneedadditionaldevicethefrequencyascellslowvoltagegenerators,itoftennecessarytousepowerelectronicinfueloutputThenaturallybythisenablesriftheswitchingishighWeobtainthatwaycontrolofthefuelcellstateinlecture,proposeofconverterwiththefuelInfollowingtheisdescribed,experimentaldiscussed.FuelcellconverterunitFuelcellsetupconsideredaWprotonexchangemembranefuelcellofactive2asketchofthebeseeninthisahumidificationunitdryhyfromcylinderstoanode.Thehumidifiercanbedownbyopeningvalvevsodryairflowstowardsfuelcellcathode.willusedtovaryhumidificationoffuelcell.Acoolingacquisitioncardsaresuchreferencesetting(gasflows,pressures,andstack第54页页山东科技大学学士位论文2.PEMFC(ZSW,Germany)connectedDCDCshowstheimpedancespectrumof500Wat30underastackof55°Chumidifierof°Catatmosphericwascarriedoutbymeansspectroscopymethod.Thewiththerealaxis2itgivesmembraneresistancevalue,incaser40m.impedancemHzkHz).Mean302.2.BoostconvAsitbeencellslowvoltagethatitisaconverter–powerinthebench[9]andastandard4,itcomposedofinputL,powersemiconductorswitchS,adiodecapacitorvariablesofthiselectronicsystemaretheinputcurrentitheDClinkvoltagev第页共61TLLDLTLLDLUi

燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究LDSFig.4.Boostchopper.

C

Roperatingmode,choppertwoworkingfirstisdefinedswitchItdrivenbytheswitchandstateequationssystem:(2)wheretheon-stateoftheswitch,rresistanceoftheIfelectrictimeL/roffargreatertheperiodTofleadsaincreasetheinductorcurrent.isbytheItisbytheswitchturn-off,andischaracterizedbythefollowingstatesystem:(3)whereVisthevoltagedropofdiode.resultsinainductor(provided/r).state,theisperiodic,thatthevaluedi/is第54页页TDLLTDLL山东科技大学学士位论文tozero.ThatoneeasilycalculatethevoltageVbyintegratingdi/dtequationsof(2)and(3)periodIftheidealconversion(nolosses,V=0r0)considered,followingfunctionofinputvoltageV:(4)beingdutycycleofthe(ratiooftheconductiondurationtheswitchingperiodTAsα

[0,1],itbededucedthat≥V:theconvertervoltageincrease,whenfuelcellspowersources.ofthatitsinputastateofthethusregulatedwithloop.Itisofforfuelcellcurrenttocontrolled.2.3.Fuelcell/boostassociationvoltage(=unipolarareused,inordertoreduceconductionturn-offlosses.Therefore,apowerMOSFET(1001804.5mΩ)andaSchottkySTPS80H100TV(1002×40A,2.2mΩ)forswitchSanddiodeD,respectively.SinceswitchingfrequencyoftheconverteriskHz,theinductorLwasinobtaincurrentrippleoperatingpointourcellsystemItsoftETD59-3C90.The100μH,andtheseriesresistanceris30mΩ.Theis30mF,whichisfromthecapacitorrmscurrent22Aourapplication)atoperatingpoint.Tothisend,threealuminiumof10mF(100A)inparallel.fuelcurrentiregulatedbyacontroller.wholeelectronic第页共61DLDL燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究ofandsemiconductorregulationhadimplementedacircuitsimulationsoftware.fuelcellbyahighfrequencymodel(diffusionareconsideredaninstantaneousconcentrationintheactivationoverpotential),composedvoltageforcircuitvoltage(OCV),aassociatedactivationoverpotential,thetheresistance,andinductorFig.Fig.6presentsthesimulatedwaveformfuelcellinfuelcellreference30loadadjustedDCvoltageV.resultsachievedforthefollowing=V,activation=8.320mF,r=40mΩ,l

=nH.TherippleAtheperimentalvalue(cf.Fig.Highfrequencyfuelcellmodelforthecell/boostassociation.SimulatedcellAsbySchindele[11],onetakebenefitofthetriangularwaveformofinputmeasurefuelcellan第54页页山东科技大学学士位论文accuratemeasurementrequiressetthetovalueforwhichcellafullybehavior(2kHzforourTheofstudytoanadditionaloffuelcellconverter,adiagnosisdeviceofhumidificationAllweofthemembraneresistance,modifyingtheswitchingfrequencyforthehasTothisend,higherfrequencythetheoreticalforaccurateofresistancebeused,providedthesmallcomparedhighlightthefuelvoltagetocurrentwaveformdrawninFig.isplottedinFig.iscomparedwithwaveformsinmagnitudeofthevoltagerippleequal156mVof140experimentallyobtained,bein10).Withsuchavalue,themembraneresistanceisestimatedtomwhichis10%thevalue.Thedifferenceofduetheinfuelcellripple.byexperimentalresultsinthesection,itlowenoughtheitwillofresistance.ithastobethediagnosisistheevolutionthemembraneresistancedueorchangesinhumidificationconditions.fuelcellvoltage.第页共6111燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究8.humidityofinlet9.voltagewaveforms=st3.ExperimentalresultsAllexperimentationsaftercarriedoutunderaahumidifierof50atmosphericfuelcellcurrentregulatedaPIDcontroller.Itsmeanis30TheisloadedbysoDCvoltageis42Theconsistsinshuttingdownthehumidifier(see8)thesolenoidvalvev,sothatairflowsfuelcellcathode.ismaintainedduringAtsecond,fuelandcurrentandvoltageregistered.voltagewaveforms,att=10andt=60s(humidifierbeingtakenasorigin),areshowninAsbeinfigure,thecut-offdurationofvoltagecurrentvoltagewiththedryingoftheofanincreaseoftheofthecurrentrippleasa第54页页山东科技大学学士位论文consequenceoftheoffuelcell(cf.evolutionofvoltageamplitudesisin10.TheinFig.fromtheratioofthecurves.thatincreaseswhenhumidifierisshutdown;inoneisequalto40,and64sofdryairFig.10.Magnituderipplesandthecurrent.11.InternalresistancewetdryFig.12.fuelcellvoltageanddryWecanalsoremarkthevoltagefromVto10V(seeFig.第页共61燃料电池发电系统端DC/DC变换器的研究Noteexperimentdoesnotalsocauseavoltageatconstantcurrent,tofloodingandtohaveofresistance.are,ofwellbutnewinthiswork,isthewayevolutionofresistance.theofourmethodthataddedtowenaturaltotheaoftheisoneofmostproblemsinPEMfuelcelloperation.Inpaper,acheckinghumidificationofmembranebeenbyexploitingtheconnectionboosttothefuelcell.Themethodreliestheestimationinternalresistancefromvoltageandripples.thisresistanceresponsedryitsacontroloffuelcellhumidificationwhichcaningInshort,anoftheconverteradiagnosisofthehumidificationhashighlighted.[1]D.HyandJ.Kim,Studyofexhumidificationinprotonmembranecell,JournalPowSources98103.[2]T.Okada,XieandM.Meeg,inforpolymerfuelActa(1998),pp.2141–[3]Q.Yan,H.andJ.watertransportmembraneinaPEMcellbyperiments,JournalPowSources158pp.第54页页山东科技大学学士位论文316325.[4]T.A.Zawodzinski,J.ValerioS.Thecontentdraginproton-conductingelectrolytes,Acta302.Rubio,Dormido,Diagnosisoffuelcurrentinterruption,Journalof171pp.–677.C.Dauphin-TanguyandB.basedPEMfuelcellstate-of-healthmonitoringviaimpedanceJournalofPower159(2006),913.[7]J.R.Macdonald,ImpedancespectroscopyemphasingmaterialsandJohnWileyandSonsEditions(1987).[8]G.Liua,J.andHighdecouplingPEMcellJournaldrogenenergy62536261.[9]P.Thounthong,S.RaëlDavat,benchofaPEMfuelwithlowvoltageconverter,Sourcespp.–150.[10]I.Thounthong,Martin,S.Davat,ofPEMFClowvoltagestaticofPowerSource