氫燃料電池輸出DC-DC變換器設(shè)計(jì)

曹先貴，孫引紅，王宏斌，鄭 翔

（西安清泰科新能源技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

關(guān)鍵字：DC-DC變換器；六相交錯(cuò)雙Boost；紋波電流

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保問題的重視，新能源汽車產(chǎn)銷量不斷提升，氫燃料電池汽車以其高效、清潔以及加注燃料方便等優(yōu)點(diǎn)成為新能源汽車的重要發(fā)展方向之一[1]。氫燃料電池具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處，如較低的單節(jié)電池輸出電壓、較大的電壓及功率變化范圍等。目前主流的氫燃料電池反應(yīng)堆輸出電壓集中于60～240 V，低于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池常用的330～600 V母線電壓。在車載氫燃料電池系統(tǒng)中，DC-DC變換器的輸入連接氫燃料反應(yīng)單元，其特性不穩(wěn)定且功率調(diào)節(jié)速度慢，輸出連接高壓蓄電池和用電負(fù)載，包括電機(jī)控制器及低壓供電等部件，用電功率無規(guī)律性，經(jīng)常存在較大的跳動(dòng)性變化。因此，為了保證氫燃料電池可以高效安全穩(wěn)定地向負(fù)載供電，就需要利用DC-DC變換器來提升并穩(wěn)定其輸出電壓，且起到功率調(diào)節(jié)的作用。

常用的DC-DC變換拓?fù)淇梢苑譃楦綦x型與非隔離型兩大類，Buck、Boost以及Buck-Boost等拓?fù)涫欠歉綦x型拓?fù)渲袘?yīng)用最為成熟的幾種基本拓?fù)洌渌恍?jù)此衍生的拓?fù)湟灿休^多應(yīng)用[2]。這類拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)器件數(shù)量少，電感電容的設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。但單級(jí)拓?fù)渫y以實(shí)現(xiàn)大的增益比，尤其在大功率應(yīng)用的場(chǎng)景，隨增益比增加其效率降低。隔離型拓?fù)洳捎酶哳l變壓器將輸入與輸出進(jìn)行電氣隔離，安全性更好，通過調(diào)節(jié)變壓器變比可以獲得較大的變換范圍，但高頻變壓器需要占用較大體積，且高效大功率的高頻變壓器設(shè)計(jì)較為困難，制作工藝也比較復(fù)雜。

雙Boost拓?fù)渚哂猩龎罕雀吆推骷?yīng)力低等特點(diǎn)，通過采用多相并聯(lián)技術(shù)可以進(jìn)一步降低元器件電流應(yīng)力，減小輸入輸出電流紋波，有利于提升氫燃料電池反應(yīng)堆壽命[3-5]。本文基于六相并聯(lián)雙Boost拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)升壓模塊功率為12 kW，通過模塊的并聯(lián)應(yīng)用可方便擴(kuò)展至60～120 kW等主流氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍。采用模塊化并聯(lián)技術(shù)的DC-DC變換器也可具備容錯(cuò)率高、全功率段效率高以及便于批量化的優(yōu)點(diǎn)，因而本文設(shè)計(jì)的升壓模塊具有較好的推廣價(jià)值。

1 升壓比及紋波電流計(jì)算

雙Boost電路是將接地型Boost電路與浮地型Boost電路組合而形成的。這種電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了升壓比，避免了級(jí)聯(lián)電路和諧振電路造成的損耗或控制難度增加的問題，同時(shí)還可以利用交錯(cuò)開關(guān)技術(shù)使各支路電流相位不同，構(gòu)成多相并聯(lián)結(jié)構(gòu)[6]。

多相并聯(lián)可以降低元器件的電流負(fù)擔(dān)，使元器件的選型更為容易。由于開關(guān)器件只承受部分輸出電壓，使得開關(guān)管可以選擇低電壓等級(jí)的MOS器件，提高開關(guān)頻率，使變換器中重量和體積占比最大的電感設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，從而縮小了直流變換器的總體積和總重量，便于在汽車上的布置。另外交錯(cuò)式技術(shù)的采用提高了等效開關(guān)頻率，降低了電流和電壓紋波，有利于提升燃料電池的壽命[7,8]。

六相交錯(cuò)式雙Boost電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 六相交錯(cuò)并聯(lián)雙Boost拓?fù)?/p>

電感電流連續(xù)狀態(tài)下，根據(jù)伏秒平衡原則，可以得到：

式中，D為開關(guān)管開通占空比，T為開關(guān)周期。

同時(shí)根據(jù)連接關(guān)系有：

據(jù)式（1）～式（3）可以得到電路的輸入輸出關(guān)系為：

除變比關(guān)系不同外，由于輸出電容C2和C3的作用，接地Boost部分與浮地Boost部分工作相對(duì)獨(dú)立，其工作原理與傳統(tǒng)Boost電路相同。據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，Boost占空比運(yùn)行在0.8以下比較穩(wěn)定，因而雙Boost電路實(shí)際可使用最大升壓范圍可至1:9，完全可以滿足氫燃料電池輸出升壓變換需求。

下面分析六相并聯(lián)的電流紋波，在CCM運(yùn)行模式下，單路電感電流紋波為：

由于開關(guān)器件交錯(cuò)開關(guān)，因而雙Boost電路的總電流紋波并非單路電感電流紋波之和，總紋波電流的數(shù)值與電路實(shí)際運(yùn)行的占空比有關(guān)，交錯(cuò)相數(shù)越多，占空比分段越多，總紋波電流與單電感紋波電流的關(guān)系為：

根據(jù)式（5）和式（6）可以對(duì)比出在相同感量下兩相、四相以及六相交錯(cuò)紋波電流與開關(guān)占空比的關(guān)系，具體如圖2所示。由圖可以看出，六相交錯(cuò)相對(duì)于兩相及四相可以在占空比0.8以下獲得更低的紋波電流。

圖2 多相交錯(cuò)紋波電流與占空比關(guān)系

2 控制方法

DC-DC變換器的控制模式可以采用電壓控制或電流控制，電壓控制模式比較適合作為電壓源輸出直接給負(fù)載供電的設(shè)備。在氫燃料電池系統(tǒng)中，DC-DC變換器的后級(jí)接有高壓蓄電池，對(duì)電流的響應(yīng)時(shí)間要求較高。本文采用外環(huán)電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)的控制方式，外環(huán)電壓環(huán)用于穩(wěn)定輸出電壓，內(nèi)環(huán)電流環(huán)可以起到快速響應(yīng)負(fù)載變換的功能[9,10]。模塊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模塊控制結(jié)構(gòu)

3 參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)樣機(jī)參數(shù)如下，輸入電壓范圍為120～240 V，輸出電壓為600 V，開關(guān)頻率為50 kHz，輸入電流紋波＜3%，輸出功率為12 kW。

根據(jù)以上輸入?yún)?shù)可以對(duì)拓?fù)渲械闹饕骷M(jìn)行計(jì)算選型。根據(jù)式（2）～式（4）可以得到，在輸入電壓范圍內(nèi)占空比運(yùn)行范圍為0.43～0.67，此范圍內(nèi)紋波電流最大的占空比為0.58，在此工作點(diǎn)進(jìn)行感量選擇。根據(jù)變比關(guān)系，忽略效率因素，此工況下輸入電壓為160 V，輸入電流為75 A，輸出電流為20 A。

根據(jù)式（6），要實(shí)現(xiàn)總輸入電流紋波低于3%，則單個(gè)電感的紋波電流峰峰值應(yīng)低于13 A，此時(shí)單個(gè)電感的平均電流為：

因此電感電流處于連續(xù)模式，需要的最低電感量為：

實(shí)際電感選擇150 μH，輸入及輸出電容均選擇為60 μF，對(duì)此參數(shù)PSIM軟件環(huán)境下搭建了電路模型，仿真得到的輸入紋波電流如圖4所示。單個(gè)電感紋波電流峰峰值為13 A，紋波頻率等于開關(guān)頻率為50 kHz，總輸入電流平均值為75 A，紋波峰峰值約為2 A，紋波電流低于總電流的3%，紋波電流頻率為開關(guān)頻率的6倍即300 kHz，符合設(shè)計(jì)推導(dǎo)。

圖4 電感電流紋波及總輸入電流紋波

采用相同的參數(shù)進(jìn)行實(shí)際樣機(jī)設(shè)計(jì)，電感實(shí)際參數(shù)為150 μH/20 A，整個(gè)模塊共使用6個(gè)，為便于安裝及散熱，采用灌封結(jié)構(gòu)將3個(gè)電感集成在一起。開關(guān)器件采用Infenion半導(dǎo)體公司的CoolMOS器件，具體型號(hào)為IPW65R041CFD，其電氣參數(shù)為650 V/43 A，滿足本電源設(shè)計(jì)需求。

設(shè)計(jì)的12 kW DC-DC變換模塊及測(cè)試平臺(tái)如圖5所示。

圖6為實(shí)際測(cè)試的單電感電流及總輸入電流，輸入電壓為160 V，輸出電壓為600 V，負(fù)載電阻為30 Ω，輸出功率為12 kW。單電感電流紋波電流約13 A，紋波電流頻率等于開關(guān)頻率為50 kHz，與仿真模型數(shù)據(jù)一致，總輸入電流平均值約為75 A，總輸入電流紋波低于2 A，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié) 論

通過對(duì)氫燃料電池輸出DC-DC變換器的需求分析，采用六相并聯(lián)雙Boost升壓電路進(jìn)行了升壓比及紋波電流推導(dǎo)?；趯?shí)際使用的電壓及紋波參數(shù)，對(duì)12 kW變換器模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并搭建了仿真模型及實(shí)際樣機(jī)，驗(yàn)證了分析計(jì)算的有效性。