車用燃料電池堆與電壓變換器的聯(lián)合仿真

溫延兵，高　松

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

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車用燃料電池堆與電壓變換器的聯(lián)合仿真

溫延兵，高松

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

摘要：針對質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性不穩(wěn)定問題，設計了一種以升壓電路為主電路，聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器為控制電路的直流-直流電壓變換器。依據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池原理，搭建出額定功率為35 kW的車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型，并驗證了模型的有效性和可操作性。為了驗證所設計變換器的控制效果，將35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆與直流-直流電壓變換器進行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：所設計的直流-直流電壓變換器0.4 ms就能將電壓穩(wěn)定且誤差控制在1.2%以內(nèi)，能夠很好地滿足車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆對升壓和穩(wěn)壓的要求。

關鍵詞：35 kW；質(zhì)子交換膜燃料電池堆；直流-直流電壓變換器；響應時間；精度

0引言

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)電動車以其高效率、零污染、氫氣來源廣泛等諸多優(yōu)點，被視為未來理想的汽車。目前，由于質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性不穩(wěn)定，要想滿足燃料電池汽車所需動力性能要求，必須在燃料電池堆與燃料電池汽車母線之間連接直流-直流(direct current-direct current,DC-DC)電壓變換器，以起到升壓和穩(wěn)壓的作用。

目前，升壓(Boost)電路有兩種類型：隔離類型和非隔離類型。隔離類型電路采用高頻逆變+變壓器+整流濾波方案，其電路較復雜、體積大、質(zhì)量大、效率低，故在燃料電池電動轎車上一般不采用[1]。近年來，國內(nèi)外學者對于非隔離類型DC-DC電壓變換器進行了深入的研究。文獻[2]設計了非隔離DC-DC電壓變換器來實現(xiàn)燃料電池電壓轉(zhuǎn)換，采用兩部分升壓電路將燃料電池電壓提高到工作電壓。這樣的設計能夠很好地轉(zhuǎn)換電壓到目標值，但電路結(jié)構(gòu)復雜，響應時間勢必受到影響。對于控制方法，有傳統(tǒng)的比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制法[3]，該控制算法簡單,較容易實現(xiàn)，被廣泛使用，但其參數(shù)的確定多依賴于工程經(jīng)驗，調(diào)試時間較長。也有研究人員采用智能控制算法，例如模糊控制和智能神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，但需要專家經(jīng)驗[4]，實現(xiàn)手段較復雜。

從解決質(zhì)子交換膜燃料電池輸出不穩(wěn)定特性入手，并考慮到DC-DC電壓變換器簡單可靠、小型化，本文針對車用質(zhì)子膜燃料電池堆設計了一種新型DC-DC升壓變換器，其主電路采用升壓(Boost)電路，控制電路采用聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器。

1質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型建立

質(zhì)子交換膜燃料電池利用氫氣作為燃料，氧氣作為氧化劑，經(jīng)過化學反應產(chǎn)生電能并生成水。單個質(zhì)子交換膜燃料電池主要包括陰極、陽極和質(zhì)子交換膜，其結(jié)構(gòu)與反應原理圖如圖1所示。

單個質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生化學反應生成液態(tài)水，此過程產(chǎn)生的理想標準電勢E0為1.229 V，但是燃料電池輸出的電壓取決于工作條件，如溫度、外部負載以及燃料/氧化劑的流速等。當燃料電池向外提供電能時，實際電池電壓會因若干不可逆因素而下降。電壓損失可以分為3類：①活化極化電壓損失；②歐姆極化電壓損失；③濃差極化電壓損失。

圖1　質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)與反應原理

單個質(zhì)子交換膜燃料電池電壓表示為[5]:

Ecell=ENernst-Uact-Uohm-Ucon，

(1)

其中：ENernst為熱力學電動勢；Uact為活化極化損失電壓；Uohm為歐姆極化損失電壓；Ucon為濃差極化損失電壓。

活化極化損失電壓表達式為[6]：

(2)

其中：R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；T為燃料電池反應溫度,K；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 485 C/mol；α為轉(zhuǎn)化因子，α=0.5；i為電流的實際密度，A/cm2；i0為交換電流密度，i0=10-6.912A/cm2。

歐姆極化損失電壓表達式為：

Uohm=IRohm=I(Rm+Rc)，

(3)

其中：I為燃料電池中的電流，A；Rm為質(zhì)子交換膜等效膜電阻，Ω；Rc為阻礙質(zhì)子通過膜的阻抗,Ω。

濃差極化損失電壓表達式為：

(4)

在燃料電池發(fā)生化學反應時會存在“雙層電荷層”現(xiàn)象，即電子聚集在電極的表面，氫離子聚集在電解質(zhì)的表面，它們之間會產(chǎn)生一個電壓且能儲存電荷和能量，相當于一個等效電容。為了表示雙層電荷層的影響，作出了燃料電池的等效電路模型，如圖2所示。

圖2　質(zhì)子交換膜燃料電池的等效電路模型

在圖2中，ENernst為燃料電池的能斯特電壓；Ra為活化極化和濃差極化的等效內(nèi)阻；Rohm為歐姆極化電阻；C為等效電容；Ecell為輸出電壓。

穩(wěn)態(tài)時，單塊質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓可以表示為：

Ecell=ENernst-Ua-Uohm，

(5)

其中：Ua為活化極化損失電壓和濃差極化損失電壓的和；Uohm為歐姆極化損失電壓。

單元燃料電池的工作電壓一般只有0.7 V左右，要想實現(xiàn)大電壓和大功率，必須將多個單元燃料電池串聯(lián)起來。

表1　35 kW燃料電池堆模型參數(shù)

質(zhì)子交換膜采用美國杜邦公司的Nafion112膜。模型各參數(shù)值如表1所示[7]。

表1中,A為質(zhì)子交換膜的有效面積；l為質(zhì)子交換膜的厚度；T為燃料電池反應溫度；Rc為阻礙質(zhì)子通過膜的阻抗；C為等效電容；λ為常數(shù)，表示質(zhì)子交換膜水含量；B為常數(shù)；Jmax為最大電流密度；N為燃料電池的個數(shù)；PH2為氫氣在陽極催化劑表面處的分壓；PO2為氧氣在陰極催化劑表面處的分壓。

利用MATLAB/Simulink軟件，搭建燃料電池堆仿真模型，如圖3所示。

圖3　35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型

當設定質(zhì)子交換膜燃料電池堆的個數(shù)N=1，即燃料電池堆的模型變成單個質(zhì)子交換膜燃料電池時，仿真出來的輸出電壓-電流密度特性曲線與實際試驗測定的電氣特性曲線[7]相當吻合，如圖4所示。由此說明所搭建的PEMFC仿真模型是實際有效的，且該模型可以用來作為研究35 kW車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆穩(wěn)態(tài)性能和車用DC-DC電壓變換器設計的參考。

一般燃料電池汽車的動力總成母線電壓設計波動范圍為345~405 V，設定燃料電池汽車的動力總成母線電壓為375 V，也就是說燃料電池堆經(jīng)過DC-DC電壓變換器變壓后的電壓為375 V。DC-DC電壓變換器分為升壓變換器和降壓變換器[8]，由于建立的35 kW燃料電池堆模型，其輸出的電壓大部分在375 V以下，所以選定DC-DC電壓變換器的類型為升壓變換器。通過上面的分析可知：設計的燃料電池堆的電壓輸出范圍為224~582 V，通過仿真實驗可以得到質(zhì)子交換膜燃料電池堆的個數(shù)N=482。將N=482代入圖3的仿真模型中，得到35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆電壓和功率輸出特性曲線，如圖5所示。

圖4 燃料電池電壓仿真數(shù)據(jù)與試驗測定數(shù)據(jù)的對比圖5 質(zhì)子交換膜燃料電池堆電壓和功率輸出特性曲線

基于搭建的35 kW PEMFC模型，研究燃料電池堆隨溫度和壓力變化時的電壓輸出特性。圖6為PEMFC模型在PH2=3.03×105Pa，PO2=3.03×105Pa時，隨溫度變化的電壓輸出特性曲線。圖7為PEMFC模型在PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K時，隨氫氣壓力變化的電壓輸出特性曲線。圖8為PEMFC模型在PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K時，隨氧氣壓力變化的電壓輸出特性曲線。

由圖6~圖8輸出特性曲線可以看出：質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出電壓與反應溫度、氫氣壓力和氧氣壓力成正比[9]。這與實際中燃料電池堆的輸出特性相吻合，充分說明了所建立的質(zhì)子交換膜燃料電池堆仿真模型是穩(wěn)定有效的，為相應DC-DC電壓變換器的設計提供了很好的參考。

2DC-DC電壓變換器模型

針對35 kW PEMFC設計的DC-DC電壓變換器，須滿足在輸入電壓為224~582 V時，輸出電壓為母線電壓375 V的要求。當燃料電池輸入電壓小于224 V時，輸出電壓過小，不利于燃料電池的科學利用，另外，燃料電池堆的輸出特性也趨于惡化。因此，當輸入電壓小于224 V時，DC-DC電壓變換器不輸出。DC-DC電壓變換器由主電路和控制電路組成，各部分的具體設計過程如下所示。

2.1　DC-DC電壓變換器主電路

采用升壓(Boost)電路作為主電路[10]，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示。經(jīng)仿真優(yōu)化確定各元件參數(shù)為：電感L=2.12×10-6H，電容C=1.0×10-4F，電阻R=4.02 Ω。

圖6 PEMFC模型隨溫度變化的電壓輸出特性圖7 PEMFC模型隨氫氣壓力變化的電壓輸出特性圖8 PEMFC模型隨氧氣壓力變化的電壓輸出特性圖9 Boost型DC-DC電壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)

2.2　DC-DC電壓變換器控制器

采用聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器作為DC-DC電壓變換器的控制器，其控制原理是：當DC-DC電壓變換器開始調(diào)壓時，首先利用脈沖信號來激發(fā)DC-DC電壓變換器主回路，使主回路輸出電壓超過375 V；其后，利用反饋調(diào)壓電路來控制功率開關管的關閉，進而起到調(diào)壓的作用。圖10為聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器。

3PEMFC電池堆電子與DC-DC電壓變換器模型的聯(lián)合仿真

在Simulink中將質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型與DC-DC電壓變換器模型進行聯(lián)合仿真分析。將35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型在PH2=PO2=3.03×105Pa，T=353.15 K時的輸出電壓輸入給DC-DC電壓變換器。

圖10　聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器

設定DC-DC電壓變換器的輸出值為375 V，運行質(zhì)子交換膜燃料電池堆和DC-DC電壓變換器組成的聯(lián)合仿真模型，仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11所示的仿真結(jié)果可以看出：質(zhì)子交換膜燃料電池堆不穩(wěn)定的輸出特性經(jīng)過DC-DC電壓變換器穩(wěn)壓調(diào)節(jié)后，0.4 ms就能夠?qū)㈦妷悍€(wěn)定在375 V，這說明DC-DC電壓變換器的輸出響應較快。圖12為DC-DC電壓穩(wěn)態(tài)電壓局部放大圖。如圖12所示，穩(wěn)態(tài)時DC-DC電壓變換器輸出電壓波形較小，其輸出電壓能夠控制在370.5～375.0 V，振蕩波紋在4.5 V之內(nèi)，使DC-DC電壓變換器所要求的輸出電壓波紋控制在1.2%以內(nèi)。

圖11 DC-DC輸出電壓波形圖12 DC-DC穩(wěn)態(tài)電壓局部放大圖

4結(jié)論

針對35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆，設計了一種新型DC-DC電壓變換器，其主電路采用升壓(Boost)電路，控制電路采用聯(lián)合脈沖激發(fā)的開關控制器。將35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆與DC-DC電壓變換器進行聯(lián)合仿真，驗證DC-DC電壓變換器的控制效果。所設計的DC-DC電壓變換器能夠很好地起到升壓和穩(wěn)壓的作用，縮短了試驗周期，降低了試驗成本，為質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的設計提供了很好的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]沈燁燁.燃料電池DC/DC交換器建模與控制[D].杭州：浙江大學,2014.

[2]HUANG B,SHAHIN A,MARTIN J,et al.High voltage ratio non-isolated DC-DC converter for fuel cell power source applications[C].Power Electronics Specialists Conference.2008.

[3]吳宇,皇普宜耿,張琳,等.大擾動Buck-Boost變換器的魯棒高階滑?？刂芠J].中國電機工程學報,2015,35(7):1740-1748.

[4] MARTINEZ S L,GARCIA G,ORELLANA M,et al.Start-up control and voltage regulation in a boost converter under sliding-mode operation[J].IEEE transactions on industrial lectronics,2013,60(10):4637-4649.

[5]徐臘梅.質(zhì)子交換膜燃料電池模擬與優(yōu)化[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[6]COLLEEN S.Pem fuel cell modeling and simulation using MATLAB[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[7]李奇.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模及其控制方法研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[8]古云蛟,朱新堅,賈杰,等.通信用7 kW PEMFC與DC-DC的聯(lián)合建模與仿真[J].電源技術,2014,138(7):1255-1258.

[9]楊晴霞,仲志丹,張洛平.空氣供給系統(tǒng)對kW級質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的影響[J].河南科技大學學報(自然科學版),2013,34(2):43-51.

[10]葉衛(wèi)華，李富鵬，王勇峰.基于動態(tài)向量法的PWMDC/DC變換器的建模與分析方法[J].電子與封裝，2011，11(11)：22-28.

文獻標志碼：A

中圖分類號：U469．72

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.008

文章編號：1672-6871(2016)02-0038-05

收稿日期：2015-04-25

作者簡介：溫延兵(1989-),男,山東聊城人,碩士生;高松(1965-),男,山東淄博人,教授,博士,博士生導師,研究方向為電動汽車技術.

基金項目：國家“863”計劃基金項目(2012AA110305)