具有完全知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車用大功率DC-DC變換器

河北科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)針對燃料電池電動汽車用DC-DC變換器復(fù)雜的輸入輸出特性要求,深入研究了燃料電池車用大功率DC-DC變換器控制系統(tǒng),在輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓三閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過增加復(fù)合自動控制器、動態(tài)選擇控制特性調(diào)節(jié)信號的方法,提出一種復(fù)合輸入輸出特性控制方法,并開發(fā)出相應(yīng)控制系統(tǒng),該研究對于燃料電池電動汽車的研制具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

本論文的研究內(nèi)容來源于國家“十一五”863計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目之“車用大功率DC-DC變換器研發(fā)”,是國家“十五”863計劃電動汽車重大專項“燃料電池車用大功率DC-DC變換器”延續(xù)和深入研究。

DC-DC變換器是燃料電池電動汽車不可或缺的重要部件,是燃料電池電動汽車安全、可靠、高效運行的重要保障之一,與燃料電池電動汽車一樣具有巨大的潛在市場和長遠(yuǎn)需求。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇,國內(nèi)外各大汽車研究機(jī)構(gòu)都在大力研究開發(fā)節(jié)能、零污染的燃料電池電動汽車。目前研制的大多數(shù)燃料電池電動汽車中,大功率DC-DC變換器是必不可少的關(guān)鍵零部件之一。燃料電池電動汽車要求DC-DC變換器必須具有功率大(幾十個到上百個千瓦)、效率高(大于96%)、安全可靠、體積小等特點。但是由于燃料電池電氣輸出特性較軟且動態(tài)響應(yīng)能力不足,采用DC-DC變換器對其進(jìn)行功率變換、能量傳遞和控制是一種有效的解決方案,DC-DC變換器作為能量控制執(zhí)行單元,實現(xiàn)對燃料電池發(fā)動機(jī)和動力蓄電池的輸出進(jìn)行控制,從而實現(xiàn)整車控制器對燃料電池車不同的控制算法,以此來提高燃料電池車動力性、燃料經(jīng)濟(jì)性以及其他整車性能指標(biāo)。這樣就要求DC-DC變換器必須具備靜動態(tài)特性好、外特性調(diào)節(jié)方便、多種輸入輸出特性控制模式及自動切換的功能。

這一問題,在《中國電機(jī)工程學(xué)報》(Proceedings of the CSEE)2009年6月第18期的論文《燃料電池車用大功率DC-DC變換器復(fù)合輸入輸出特性控制系統(tǒng)》中得到了全面闡述。

論文指出,在常規(guī)開關(guān)電源中,一般只對輸出特性進(jìn)行控制,很少涉及對輸入特性的控制,燃料電池車用DC-DC變換器不但要對輸出進(jìn)行恒壓、恒流控制,還要求燃料電池在最低電壓工作點(即“欠壓點”)時,DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率或減功率控制,以使發(fā)動機(jī)工作電壓維持在欠壓點,這是對DC-DC變換器提出的一種特殊控制特性——“輸入欠壓控制”。另外還要求輸入輸出特性之間可以自動切換,來滿足整車控制策略,這些都大大提高了變換器控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。

論文針對上述特殊控制要求,首先建立了輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓控制的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),然后將3個閉環(huán)控制輸出調(diào)節(jié)值送入復(fù)合控制器,來選擇當(dāng)前的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),得到最終的調(diào)節(jié)信號(為三路特性信號之一,并且隨著輸入輸出狀態(tài)的變化不斷自動變化),對PWM電路進(jìn)行脈寬調(diào)制控制,調(diào)節(jié)絕緣柵雙極型晶體管的占空比,實現(xiàn)DC-DC變換器的輸入輸出控制。按照復(fù)合輸入輸出特性控制的原理,建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,得到了控制系統(tǒng)輸入輸出與占空比之間的關(guān)系,并進(jìn)行了仿真和實驗研究。結(jié)果表明,DC-DC變換器輸出恒壓、輸出恒流和輸入欠壓特性可以根據(jù)控制信號的變化進(jìn)行切換,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快,實時性和穩(wěn)定性好,驗證了控制系統(tǒng)的有效性和實驗的可行性。

本研究成果應(yīng)用于燃料電池汽車所需的高性能、高容量、高功率、高密度、高效率、高可靠性的大功率DC-DC變換器。截止到2008年底,已研制出多種規(guī)格的高效節(jié)能的車用大功率單向DC-DC(最大變換功率高達(dá)170kW以上)、雙向DC-DC和輔助DC-DC變換器。所研制DC-DC變換器已裝載于國內(nèi)多臺燃料電池汽車中,單臺零故障累計運行六萬多公里。研究結(jié)果為大功率DC-DC變換器在燃料電池汽車中的應(yīng)用提供了有效的技術(shù)方案,為我國燃料電池汽車的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

延伸閱讀 ——燃料電池及DC/DC變換器

什么是燃料電池

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,電就被奇妙地生產(chǎn)出來了。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等,像一個蓄電池,但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的,至今已有大約160年的歷史。

燃料電池有何特點

燃料電池十分復(fù)雜,涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論,具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f,燃料電池具有以下特點:

(1)能量轉(zhuǎn)化效率高。直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,中間不經(jīng)過燃燒過程,因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料——電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%,而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。

(2)有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低,CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低,無機(jī)械振動。

(3)燃料適用范圍廣。

(4)積木化強(qiáng),規(guī)模及安裝地點靈活,燃料電池電站占地面積小,建設(shè)周期短,電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝,十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站,或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。

(5)負(fù)荷響應(yīng)快,運行質(zhì)量高。燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率,而且電廠離負(fù)荷可以很近,從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動,降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量,減少了輸變線路投資和線路損失。

中國燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

中國早在20世紀(jì)50年代就開展了燃料電池方面的研究且在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破。中國政府十分注重燃料電池的研究開發(fā),陸續(xù)開發(fā)出百瓦級～30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展,開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組,開發(fā)出電動轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動機(jī),使中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進(jìn)國家行列。

在當(dāng)今全球能源緊張、油價高漲的時代,尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。因為氫能的優(yōu)勢明顯,清潔、高效,因此得到各國政府的大力支持,加上各種能源動力企業(yè)對燃料電池的發(fā)展信心十足,所以燃料電池未來市場將有巨大的上升空間。

DC/DC(直流-直流)變換器

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。通過對電力電子器件的通斷控制,將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上,通過改變占空比改變輸出電壓平均值。

直流-直流變換器(DC-DC converter)內(nèi)部一般具有PWM(脈寬調(diào)制)模塊、E/A(差錯放大器模塊)、比較器模塊等幾大功能模塊。其工作原理為:輸出經(jīng)過FB(反饋電路)接到FB pin,反饋電壓VFB與設(shè)定好的比較電壓Vcomp比較后,產(chǎn)生差錯電壓信號,差錯電壓信號輸入到PWM模塊,PWM根據(jù)差錯電壓的大小調(diào)節(jié)占空比,從而達(dá)到控制輸出電壓的目的,振蕩器的作用是產(chǎn)生PWM工作頻率的三角波,三角波經(jīng)過斬波電壓斬波后,產(chǎn)生方波,其方波就是控制MOSFET的導(dǎo)通時間從而控制輸出電壓的。