車(chē)載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法

黨娟

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，榆林 719000）

引言

交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)κ偷男枨蠓浅８撸瑩?jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023 年全球石油需求量預(yù)計(jì)為101.9 百萬(wàn)桶/日，其中約60 %用于交通運(yùn)輸。石油產(chǎn)品的高消耗帶來(lái)的空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，研發(fā)與制造新能源汽車(chē)，以降低能源消耗、減小污染物排放成為全球熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。燃料電池汽車(chē)主要通過(guò)燃料電池提供汽車(chē)行駛動(dòng)力，具有對(duì)社會(huì)生態(tài)環(huán)境友好，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。燃料電池因工作損耗問(wèn)題導(dǎo)致其輸出電壓低于理想電勢(shì)[2,3]，直接將其輸出的直流電用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)，可能無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)的需求，因此，需通過(guò)直流變換器將其轉(zhuǎn)換為可調(diào)的直流電，以滿(mǎn)足車(chē)載電機(jī)調(diào)速要求[4,5]。為使直流變換器輸出電壓、電流能夠與燃料電池輸出特性相匹配，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，同時(shí)確保汽車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)直流變換器進(jìn)行有效控制顯得十分必要[6-8]。

劉鵬等人通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)斬波器占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓或電流的穩(wěn)定控制，該方法雖簡(jiǎn)單易操作，且能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高動(dòng)態(tài)性能，但肯能會(huì)引發(fā)諧波失真等問(wèn)題[9]；周雅夫等人針對(duì)車(chē)用DC/DC 變換器輸入電流紋波高影響燃料電池使用壽命的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了交錯(cuò)式Boost 型變換器拓?fù)潆娐?，通過(guò)閉環(huán)控制策略提高燃料電池輸出穩(wěn)定性，但該方法存在系統(tǒng)振蕩問(wèn)題[10]。雙環(huán)控制使用兩個(gè)控制環(huán)路來(lái)分別控制電流和電壓，以實(shí)現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的系統(tǒng)控制，具有操作簡(jiǎn)便，節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)[11]。因此，本文提出車(chē)載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法，提高燃料電池系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足車(chē)載電源需求。

1 車(chē)載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制

1.1 燃料電池特性分析

燃料電池是以燃料和氧化劑（如氧氣、空氣中的氧或氯酸鉀）為原料，經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置[12]。圖1 闡述了燃料電池輸出電流電壓關(guān)系特性，其中燃料電池輸出電壓體現(xiàn)了其電化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)度，輸出電流則衡量了質(zhì)子導(dǎo)通能力的高低，不同功率下電堆輸出特性可通過(guò)輸出電壓-電流關(guān)系進(jìn)行判別。根據(jù)燃料電池的化學(xué)反應(yīng)和工作損耗特性，可將燃料電池的極化現(xiàn)象劃分為三種不同類(lèi)型：①活化極化，由催化劑表面吸附中間物或者反應(yīng)物/產(chǎn)物脫附速度較慢所引起的極化，通常與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)。②歐姆極化，由電解質(zhì)、電極以及雙極板之間接觸電阻以及離子在電解質(zhì)中的遷移電阻所引起的極化，與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電子和離子傳輸有關(guān)。③濃差極化，反應(yīng)物或產(chǎn)物在電極表面上的濃度梯度引起的極化。通常與反應(yīng)物/產(chǎn)物的擴(kuò)散和傳輸有關(guān)。燃料電池電壓跌落具有不可逆性，當(dāng)電流密度較小時(shí)，激活過(guò)電壓會(huì)使電壓快速跌落，電流密度很大時(shí)，濃度過(guò)電壓會(huì)造成更劇烈的電壓跌落，電壓跌落的存在，使得燃料電池實(shí)際電壓小于理想電勢(shì)。FC 電壓計(jì)算公式描述為：

圖1 燃料電池輸出電流電壓關(guān)系特性

活化極化和濃差極化等效電阻總和表示aR，計(jì)算公式描述為：

在圖1 中，激活、濃差極化兩階段的過(guò)電壓分別通過(guò)Vact、Vconc描述，最后一個(gè)極化階段的跌落電壓表示為Vohmic，F(xiàn)C 電流以及能斯特瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)分別為IFC、ENernst。

在燃料電池歐姆極化階段，電流隨電壓變化較快，而活化極化和濃差極化階段，其電流隨電壓變化較慢。因此，選擇與燃料電池適配的直流變換器時(shí)，需要使其能夠在不同極化階段下工作，并能夠適應(yīng)這種電流和電壓的變化。

2.2 燃料電池直流變換器原理分析

燃料電池汽車(chē)通過(guò)燃料電池為其提供行駛動(dòng)力，其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，F(xiàn)C、直流變換器DC-DC、電驅(qū)變換器DC-AC、車(chē)用儲(chǔ)能單元以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)是其重要組件。

圖2 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文采用鋰離子電池作為汽車(chē)用儲(chǔ)能單元，F(xiàn)C 為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池為輔助電源。電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，由FC 為其提供運(yùn)行動(dòng)力，通過(guò)鋰離子電池存儲(chǔ)多余能量；在電動(dòng)汽車(chē)加減速時(shí)，通過(guò)鋰離子電池釋放能量以彌補(bǔ)主電源能量的不足。

2.2.1 直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用的車(chē)載用燃料電池直流變換器為二次型Boost 變換器，圖3 為該變換器主電路結(jié)構(gòu)圖。車(chē)載用燃料電池直流變換器輸入、輸出電壓分別表示為Uin、U0。主電路中含有兩個(gè)LC 濾波器，分別表示為1L、1C、2L、C2，輸出電容通過(guò)C2描述；1 個(gè)主開(kāi)關(guān)管表示為1S；無(wú)源開(kāi)關(guān)管分別用 1D、2D、3D表示。為降低復(fù)雜度，設(shè)定開(kāi)關(guān)管、二極管與儲(chǔ)能元件都處于理想狀態(tài)之下，輸出電容C2很大，平穩(wěn)狀態(tài)下直流電壓固定不變，且不考慮紋波電壓對(duì)直流變換器控制的影響。對(duì)于開(kāi)關(guān)管，分別用fs、sT描述其轉(zhuǎn)換頻率以及及重復(fù)周期，D描述其導(dǎo)通周期。

圖3 車(chē)載用燃料電池變換器主電路拓?fù)鋱D

2.2.2 直流變換器工作原理

對(duì)電感1L進(jìn)行合理設(shè)定，可確保電感電流i1L處于連續(xù)運(yùn)行模態(tài)。設(shè)定直流變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比 低于0.5，電感電流i1L在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都會(huì)經(jīng)歷開(kāi)啟和斷開(kāi)兩種不同狀態(tài)，圖4 為與之對(duì)應(yīng)的等效電路圖。

圖4 不同工作狀態(tài)下二次型Boost 變換器等效電路圖

當(dāng)直流變換器工作在 [t0,1t] 狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管1S在t0時(shí)間點(diǎn)處于通電狀態(tài)，Uin為供電電源，電感1L正在充電，其存儲(chǔ)電能來(lái)源于Uin，無(wú)源開(kāi)關(guān)管2D導(dǎo)通，以之作為電感1L的充電路徑，電感電流i1L呈逐漸增大變化趨勢(shì)；儲(chǔ)能電容1C通過(guò)放電為電感2L提供所需電能，電感電流2Li也呈不斷增大變化趨勢(shì)；此時(shí)有反向電壓作用于1D、3D兩側(cè)，且電壓值高于其最大允許范圍，致使其處于關(guān)斷狀態(tài)；儲(chǔ)能電容C2放電以滿(mǎn)足電路負(fù)載所需，以保證直流變換器輸出電壓平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)。此時(shí)分別通過(guò)下式計(jì)算電感電流i1L、i2L的上升斜率：

式中：

UC1—儲(chǔ)能電容C1的輸入電壓。

當(dāng)直流變換器工作在 [t0,1t] 模態(tài)，開(kāi)關(guān)管1S在1t時(shí)間點(diǎn)處于關(guān)斷狀態(tài)，電源Uin和電感1L通過(guò)放電為儲(chǔ)能電容1C提供電流，1C與電感2L協(xié)同放電，滿(mǎn)足儲(chǔ)能電容C2與負(fù)載的電能需求，無(wú)源開(kāi)關(guān)管1D、3D導(dǎo)通，以構(gòu)造出通暢的放電路徑，電感電流i1L、i2L呈線(xiàn)性減小趨勢(shì)變化。此時(shí)，分別通過(guò)下式計(jì)算電感電流1Li、i2L的上升斜率：

2.2.3 穩(wěn)態(tài)性能分析

遵循電感1L、2L的伏秒平衡原理，可確定下式：

通過(guò)下式可描述平穩(wěn)狀態(tài)下直流變換器主電路關(guān)系：

聯(lián)立公式（7）、（8），則有：

用M描述電壓增益，其計(jì)算公式通過(guò)下式進(jìn)行描述：

由公式（9）得出，M與占空比之間存在平方倍關(guān)系。相比于傳統(tǒng)Boost 變換器中M與占空比之間為線(xiàn)性倍數(shù)關(guān)系，本文設(shè)計(jì)二次型Boost 變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所描述的輸出電壓增益明顯高于傳統(tǒng)Boost 變換器，這意味著本文二次型Boost 變換器的輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的增大程度更大，達(dá)到電壓增益提升的目的[13]。

2.3 二次型Boost 變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略

為提高汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及快速響應(yīng)能力[14,15]，本文設(shè)計(jì)基于輸入電壓前饋的全狀態(tài)雙環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)控制直流變換器的開(kāi)關(guān)操作，以提高汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。它通過(guò)比較實(shí)際輸出電流和期望輸出電流的差值來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)操作，從而在負(fù)載變化時(shí)迅速調(diào)整輸出電流。電壓外環(huán)控制根據(jù)輸出電壓和期望電壓值之間的差異調(diào)整開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電壓的跟蹤?；谳斎腚妷呵梆伒娜珷顟B(tài)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于電壓前饋的直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略

2.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制部分主要由電流控制器Ai(s)、脈寬調(diào)制增益1/Um、直流變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比交流分量到iL的傳遞函數(shù)Gd_i(s)以及電流檢測(cè)系數(shù)R(s)構(gòu)成，開(kāi)環(huán)環(huán)路增益通過(guò)下式確定：

電流控制器Ai(s)采用PI 控制方式，通過(guò)下式描述其輸入、輸出之間的傳遞函數(shù)：

式中：

Ac—電流控制器的頻段增益；

τ1—系數(shù)。

fci表示開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率，用于描述閉環(huán)帶寬，其計(jì)算公式描述為：

其中：G=[R(s)]-1。將電壓前饋加入到電流內(nèi)環(huán)控制中，可利用Uin、電阻、電容形成的充電通路完成PWM 鋸齒波的獲取，通過(guò)改變Uin即可完成鋸齒波幅值的調(diào)整，以確保汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)具有不變帶寬。

2.3.2 電壓外環(huán)控制

獲得電流內(nèi)環(huán)控制的一階等效模型后，可將圖5 所示的直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖6 形式。

圖6 直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)等效圖

在電壓外環(huán)控制策略下，其環(huán)路增益通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

K—電壓采樣網(wǎng)絡(luò)；

Av(s)—電壓控制器，通過(guò)PI 控制方式控制直流變換器的輸入、輸出電壓，以確保其滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)需求。

傳遞函數(shù)表達(dá)式通過(guò)下式進(jìn)行描述：

聯(lián)立公式（17）、（18）可得：

在電壓外環(huán)控制下，環(huán)路穿越頻率通過(guò)fcv表示，其計(jì)算公式為：

通常fcv=10-1fci，閉環(huán)帶寬反映系統(tǒng)對(duì)外部干擾的抑制能力，電流環(huán)閉環(huán)帶寬固定不變，將使系統(tǒng)對(duì)外部干擾的抑制能力維持不變，這樣可確保電壓環(huán)路參數(shù)的設(shè)定不會(huì)受到干擾的影響，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以二次型Boost 變換器樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，額定功率350 W，其輸入電壓通過(guò)以25 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池提供，以IPP110N20NA 作為主開(kāi)關(guān)管1S，三個(gè)無(wú)源開(kāi)關(guān)管均為STPS1017CB。主要參數(shù)如下：fs、1L、2L、分別為21 kHz、330 μH、1 mH，1C、C2均為550 μF，該變換器輸入電壓波動(dòng)區(qū)間介于（30~90）V 之間，輸出電壓為600 V，負(fù)載電阻為530 Ω。采用研究方法對(duì)車(chē)載用燃料電池直流變換器進(jìn)行全狀態(tài)雙環(huán)控制，驗(yàn)證其控制性能。

假設(shè)有4A 恒定負(fù)載電流作用在二次型Boost 變換器上時(shí)，應(yīng)用研究方法對(duì)該直流變換器進(jìn)行雙環(huán)控制，通過(guò)對(duì)兩種工作狀態(tài)下的主開(kāi)關(guān)管1S輸出電壓、電感電流以及直流變換器輸出電壓以及電壓紋波進(jìn)行分析，驗(yàn)證研究方法的實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 恒定負(fù)載電流下的直流變換器雙環(huán)控制結(jié)果

分析圖7 可知，負(fù)載電流一定條件下，研究方法可實(shí)現(xiàn)直流變換器輸出電壓的平穩(wěn)控制，控制后電壓維持在700 V 左右，能夠滿(mǎn)足設(shè)定要求；而且電壓紋波波動(dòng)范圍不超過(guò)500 mV，其值很小。此條件下，可得到開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比為0.56，當(dāng)1S處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感電流表現(xiàn)出不斷增大變化規(guī)律，當(dāng)其處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電感電流則不斷降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法可實(shí)現(xiàn)不變負(fù)載下直流變換器輸出電壓的穩(wěn)定控制，控制效果較好。

假設(shè)將一個(gè)呈周期性改變的負(fù)載作用在該二次型Boost 變換器上，時(shí)間間隔周期為2 s。設(shè)定2 s 時(shí)負(fù)載電流從2.5 A 激增到6 A，6 s 時(shí)負(fù)載電流由6 A 突降至2.8 A，通過(guò)對(duì)負(fù)載突變下直流變換器輸出電流、輸出電壓以及電壓紋波波形進(jìn)行分析，驗(yàn)證研究方法的控制穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 周期變化負(fù)載下的控制結(jié)果

圖9 負(fù)載突變時(shí)電壓紋波圖

分析圖8 可知，將研究方法應(yīng)用到直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制中，直流變換器的輸出電流隨著負(fù)載的變化而變化，二者之間保持正比例變化關(guān)系；輸出電壓波形曲線(xiàn)表現(xiàn)出較小波動(dòng)，負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓紋波波形上存在明顯的尖峰，對(duì)應(yīng)幅值分別為200 mV、120 mV，分別控制了10 ms、8 ms 后，紋波波形曲線(xiàn)便達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法通過(guò)極少時(shí)間即可完成負(fù)載變化的跟蹤，實(shí)現(xiàn)直流變換器的穩(wěn)定控制，取得突出的控制效果。

為分析研究方法的控制效果，將文獻(xiàn)[9]方法、文獻(xiàn)[10]方法作為對(duì)比方法，各方法控制后的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間差異如表1 所示。

表1 不同方法控制結(jié)果對(duì)比分析

分析表1 可知，利用研究方法對(duì)車(chē)載用燃料電池直流變換器進(jìn)行控制，負(fù)載激增、負(fù)載突降兩種工況下的輸出電壓超調(diào)量分別為200 mV、120 mV，調(diào)節(jié)時(shí)間分別為10 ms、8 ms，研究方法控制后的兩指標(biāo)值明顯低于文獻(xiàn)方法，研究方法在有效降低控制超調(diào)量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制效率的有效提升，研究方法可實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出特性的改善，達(dá)到燃料電池汽車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)。

4 結(jié)論

研究車(chē)載用燃料電池直流變換器全狀態(tài)雙環(huán)控制方法，在某二次型Boost 變換器樣機(jī)上開(kāi)展控制性能分析實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)負(fù)載不變、負(fù)載激增、負(fù)載突降工況下的變換器輸出電壓等進(jìn)行分析，驗(yàn)證研究方法的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研究方法可實(shí)現(xiàn)車(chē)載用燃料電池直流變換器雙環(huán)控制，控制后的電壓紋波小、超調(diào)量低、控制效率高。