基于Boost拓撲的燃料電池阻抗測量激勵源設(shè)計

康嘉駿，馬天才

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

0 引言

在環(huán)境問題日益嚴重的今天，發(fā)展清潔低碳能源，實現(xiàn)碳中和目標已經(jīng)成為全球共識。而燃料電池因為其高效率、無污染的優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注[1]。然而低成本、壽命短是燃料電池商業(yè)化面臨的主要困難[2]。通過對燃料電池的實時狀態(tài)監(jiān)測，能預(yù)測其健康狀態(tài)，延長使用壽命。燃料電池的電化學(xué)阻抗譜包含了豐富的內(nèi)部狀態(tài)信息，可用于燃料電池故障診斷等多種應(yīng)用，因而得到了廣泛的關(guān)注。

但是，電化學(xué)阻抗譜的測量結(jié)果需要在系統(tǒng)響應(yīng)近似線性的前提下才有意義。若施加的擾動過大將導(dǎo)致響應(yīng)失真，而擾動的幅值過小，響應(yīng)信號容易被噪聲所掩蓋。因此在選擇擾動的幅值大小時，必須在系統(tǒng)線性度和測量信噪比（SNR）之間進行權(quán)衡。

因此，為了實現(xiàn)對燃料電池的阻抗譜測量以及在線監(jiān)測，需要向燃料電池系統(tǒng)施加幅值，頻率適當且可控的擾動信號。本研究對幾種燃料電池激勵源的技術(shù)方案進行了分析，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和實際需求選擇了合適的電路拓撲結(jié)構(gòu)，通過對電路元件參數(shù)的計算校核，并進行了仿真和驗證。最后，對激勵源樣機進行了測試，驗證了樣機的輸出性能。

1 燃料電池阻抗測量激勵源技術(shù)方案分析與選擇

燃料電池系統(tǒng)的電氣架構(gòu)通常由燃料電池，DC/DC變換器，電池組和控制系統(tǒng)等部分組成。由于燃料電池的輸出特性電壓受輸出功率影響大，一般需要串聯(lián)DC/DC變換器以穩(wěn)定輸出電壓并控制輸出電流。因此，在DC/DC變換器中增加擾動注入功能，或并聯(lián)一個激勵DC/DC變換器是一種可行的技術(shù)方案。

一種向燃料電池施加激勵的技術(shù)方案是基于線性電源技術(shù)，使功率半導(dǎo)體器件工作在飽和區(qū)，通過調(diào)整驅(qū)動電壓改變電流幅值。該方案的優(yōu)點在于控制簡單，電流紋波小。但其缺陷是流經(jīng)激勵源的電能均以熱能損耗，效率低下。

另一種激勵源技術(shù)方案是利用系統(tǒng)中的DC/DC變換器實現(xiàn)激勵功能，其直接利用變換器的紋波電流。另一種方案是通過在占空比附近，以很小的變化量改變開關(guān)占空比來引入擾動信號，進而提取電池的諧波阻抗的方法。該方案的優(yōu)點是直接利用現(xiàn)有設(shè)備，有利于降低系統(tǒng)體積與成本，其缺陷在于產(chǎn)生的波形質(zhì)量較低。

基于獨立激勵源的方案使用獨立的DC/DC變換器實現(xiàn)激勵功能。該方案下，激勵源使其輸入電流跟隨一個給定的正弦信號，進而對燃料電池施加激勵。獨立DC/DC變換器可以根據(jù)阻抗測量的需要，為設(shè)定的激勵幅值和頻率進行優(yōu)化，具有高效靈活的優(yōu)勢。

考慮到獨立DC/DC變換器的方案具有效率較高、設(shè)計靈活、體積較小等優(yōu)勢，因此采用該方案。同時，根據(jù)大多數(shù)燃料電池DC/DC變換器的設(shè)計，采用Boost拓撲，并使用多相交錯并聯(lián)的設(shè)計抑制電流紋波，降低電感體積，提高等效開關(guān)頻率。

2 多相交錯并聯(lián)Boost拓撲DC/DC變換器設(shè)計

典型的Boost拓撲DC/DC變換器的輸入電流紋波大，不利于燃料電池的壽命。為了抑制紋波，需要增加濾波電感和電容，導(dǎo)致變換器體積和重量大。而多相交錯并聯(lián)Boost拓撲通過對各支路電流的相位控制和紋波的疊加抵消，可減小電流紋波，降低了對濾波電感和電容的需求，但是所使用的器件數(shù)量多，控制難度和損耗大[3]。

設(shè)計的激勵源樣機預(yù)計與一個輸出電壓范圍為3.9～5.4 V的燃料電池適配。激勵源輸出的電能將為12 V電池組充電。一般而言，在阻抗測量設(shè)備能夠有效分辨待測信號的前提下，激勵的幅值越小越好。通常認為激勵電流的幅值不超過燃料電池直流電流的5%，本文將激勵源的電流幅值定為6 A。由于激勵源為單向DC/DC變換器，因此需要直流電流偏置，電流偏置定為8 A。

功率器件和開關(guān)頻率的選擇也是設(shè)計要點之一。開關(guān)頻率對變換器的效率和性能具有重要影響?？紤]到本文中微控制器的性能，并考慮到總體設(shè)計需求，將開關(guān)頻率設(shè)定為100 kHz。為了減少功率二極管上的損失，采用同步整流模式，將原Boost拓撲中的續(xù)流二極管改為MOSFET，通過微控制器的控制，在原有二極管正向?qū)〞r開通MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢，降低導(dǎo)通損耗。

本設(shè)計的激勵源工作在電流連續(xù)模式下，電感量對電流紋波和輕載工況下電流連續(xù)性有較大影響。因此，根據(jù)輸入電流紋波大小進行電感量計算。根據(jù)上文給出的工作條件，根據(jù)Boost拓撲的占空比計算式，可求得變換器工作占空比為57.1%～69.0%。式中，D為變換器開關(guān)占空比，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓。

根據(jù)參考文獻的分析，多相交錯并聯(lián)對輸入電流紋波的抑制程度與占空比及相數(shù)均存在關(guān)聯(lián)[4]。對于變換器，引入紋波比表征總電流紋波與各相電流紋波的比值。對于使用的四相交錯并聯(lián)拓撲，的函數(shù)如下所示。其中△ii為總電流紋波，△iL為單相電感電流紋波。

單相Boost拓撲電流紋波計算式：

其中，L為電感值，f為開關(guān)頻率。

結(jié)合式（2），得到輸入電流紋波計算公式。

根據(jù)給定的占空比范圍等條件，得到電感計算式如下：

本設(shè)計中，最惡劣電壓定義為峰值電流達到最大值時所對應(yīng)的輸入電壓。因此按照輸入電壓3.9 V，占空比69%，紋波電流為0.1 A，開關(guān)頻率為100 kHz計算，得到電感值至少為58μH?？紤]到電感制造誤差，以及大電流下電感的衰減，為了保證電感在工作時不發(fā)生飽和，需要提高電感值以增加裕量，最終選擇的電感為120μH。

3 基于MATLAB Simulink的DC/DC變換器仿真

根據(jù)前文的分析和設(shè)計，采用MATLAB Simulink對激勵源進行建模仿真。電路原理如圖1所示，電流波形控制采用平均電流法，使用PID閉環(huán)對占空比進行調(diào)整。仿真參數(shù)：輸入電壓為4.5 V，開關(guān)頻率為100 kHz，PID控制頻率為50 kHz，電感為120μH。激勵電流幅值為6 A，偏置電流幅值為8 A，仿真步長為10 ns，蓄電池額定電壓為12 V，容量為200 Ah。

為激勵頻率為500 Hz時的電流波形如圖2所示。此時波形為正弦波，激勵頻率準確，說明控制器能實現(xiàn)對波形的跟蹤和控制。從放大圖中可見，電感電流紋波相互疊加后抵消，總電流紋波得到了較好的抑制，電流紋波幅值小于0.1 A。同時，可見每相的最小電流均大于0，證明激勵源工作在連續(xù)電流模式下。該仿真結(jié)果驗證了上文設(shè)計的可行性和合理性。

圖1 四相交錯并聯(lián)Boost拓撲電路原理圖

4 實驗與結(jié)果

基于上文的設(shè)計，基于某型微控制器開發(fā)了激勵源樣機并進行了實驗，臺架如圖3所示。其中，使用直流電源模擬燃料電池，輸出電壓為4.5 V。樣機的輸出端接入12 V鉛酸蓄電池。下文將對樣機在不同激勵頻率下產(chǎn)生的激勵波形進行觀察，對輸出波形的特性進行分析。

使用CYBERTEK CP8030H（量程±30A）霍爾電流傳感器對激勵頻率為1 Hz，10 Hz，100 Hz，250 Hz和500 Hz時的樣機產(chǎn)生的激勵電流進行觀測，如圖4所示?？梢娂畈ㄐ谓咏也?，失真程度小，沒有明顯的波紋、振蕩和毛刺。

在不同激勵頻率下，激勵電流的波形特性，紋波幅值和誤差見表1。在多數(shù)頻率下，樣機輸出的激勵波形特性滿足設(shè)計需求，但在10 Hz頻率下，存在紋波幅值輕微超標的現(xiàn)象，可能的原因是電路或程序設(shè)計上存在問題。在輸出電流幅值方面，各個頻率下均可輸出符合預(yù)期幅值的激勵信號，激勵幅值誤差小于2.5%。綜上，在輸出性能上，該樣機滿足設(shè)計需求。

圖2 500Hz激勵頻率下總電流波形與各相電流波形

圖3 自制激勵源樣機實驗臺架

圖4 不同頻率下激勵源輸出的激勵電流波形下的電流紋波

表1 激勵源樣機在各激勵頻率下的輸出電流精度與輸入電流紋波

5 結(jié)語

比較了3種用于電化學(xué)阻抗譜測量的燃料電池激勵源方案的優(yōu)缺點，開發(fā)了一種基于多相交錯并聯(lián)Boost拓撲的燃料電池激勵源。該設(shè)計的優(yōu)點是通過多相交錯并聯(lián)實現(xiàn)了對電流紋波的抑制，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出的激勵波形質(zhì)量好。測試結(jié)果表明，在預(yù)設(shè)的輸入電壓范圍內(nèi)，能產(chǎn)生1～500 Hz的正弦交變激勵，在交變電流幅值6 A，直流偏置幅值8 A的輸出設(shè)置下，輸入電流紋波小于106 mA，輸出的交變電流幅值誤差小于2.5%，各個頻率下輸出波形無明顯失真與毛刺。