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燃料电池动力系统用直流变换器拓扑选择
燃料电池技术由于其环境友好性,在新能源汽车运用中日益受到热捧.本文提炼了燃料电池动力系统用直流变换器需求,并与常见直流变换器拓扑进行耦合分析,比较各个拓扑在燃料电池动力系统中运用的优缺点,明确了Boost拓扑最适合燃料电池动力系统运用.最终,提出Boost拓扑针对输入电流纹波的优化办法.
燃料电池由于其不使用化石燃料以及环境友好性,日益受到热捧.由于质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）有较高的功率密度以及较低的运行温度,更能满足车载燃料电池的需求,可广泛运用于燃料电池汽车.在实际工程案例中,由于燃料电池较低的动态响应以及输出电压受负载电流影响大,容易产生较大的电压波动,需串联匹配燃料电池动力系统专用的直流变换器,共同组成燃料电池系统,与蓄能器（动力电池以及可能存在的双向DC/DC,Energy Storage System,ESS）并联于高压直流母线上,协同为驱动系统提供能量.能量混合型燃料电池动力系统架构如图1所示.
燃料电池动力系统用直流变换器核心职能是将燃料电池系统较低的输出电压抬升至较高的驱动系统直流母线电压,实现燃料电池系统与驱动系统双系统的电压匹配；实现燃料电池系统可控的功率拉载,完成整车多动力源之间的能量分配.同时,直流变换器需要抑制其燃料电池端的输入电流纹波.文献研究表明,较大的输入电流纹波（≥10%）会影响燃料电池寿命.
本文立足于燃料电池动力系统用直流变换器运用需求,结合常用直流变换器拓扑,探讨燃料电池动力系统用直流变换器拓扑评价体系.
燃料电池动力系统用直流变换器需求
对于车用质子交换膜燃料电池动力系统有以下需求：
1. 克服燃料电池系统较软的输出特性以及直流变换器输出端剧烈变化的负载,稳定可靠地将燃料电池系统电压和驱动系统电压相互匹配,并及时准确响应系统能量分配请求；
2. 快速控制响应,控制准确,避免出现较大的控制超调；
3. 较低的输入电流纹波；
4. 高体积功率密度,高集成度,模块化；
5. 高效率；
6. 低成本、高可靠性.
以上6个需求分别从功能、性能以及输入特性需求进行了概括和总结.针对上述6个需求,可进一步提出关于燃料电池动力系统用直流变换器的几个关键词：效率、体积、输入纹波 、成本、易于实现与可维护性和电气安全.
燃料电池动力系统用直流变换器类型选择
在常用直流变换器拓扑中,有较多变换器拓扑满足上述需求.根据输入输出端是否电气隔离,可分成隔离式与非隔离式两大类.隔离与非隔离是常见的直流变换器的分类方法,两者最大的区别在于是否具有隔离变压器.非隔离系统由于构成回路的器件少,在能量传递过程中损失少,因此,效率较高；而隔离系统无论隔离变压器哪一端发生回路故障,都不会影响另一端的正常工作,因此,电气安全性更高.表1是非隔离式与隔离式直流变换器的优缺点比较汇总.
由于隔离式直流变换器在效率、体积、成本上无法满足燃料电池动力系统用直流变换器需求.因此,常见车载燃料电池动力系统用直流变换器一般采用非隔离系统.
非隔离直流变换器拓扑选择
非隔离直流变换器拓扑在燃料电池中广泛运用,尤其是中、高功率运用.在非隔离直流变换器高功率运用拓扑中,通常分为四大类基本拓扑,即Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk.Buck拓扑只能满足降压运用需求.Boost拓扑只能满足升压运用需求.Buck-Boost拓扑能满足升降压运用需求,但输入输出电压极性相反.Cuk拓扑能满足升降压运用需求,但输入输出电压极性相反.非隔离直流变换器拓扑优缺点汇总以及系统构成详见表2.
从表2可以看到：
Buck和Boost拓扑为基本拓扑,但只能分别对应降压和升压需求.由基本拓扑带来了最简单的系统实现,以及最简单的控制实现.
Buck-Boost、Cuk拓扑可以看成是Buck和Boost拓扑的组合和拓展,最终形成了既能够满足降压也能满足升压需求的拓扑.并且,降压和升压的功能在D等于0.5时发生变更,这点对有PWM进行的占空比控制是有利的.但也正是因为由多种基本拓扑复组合和扩展,系统变得复杂,实现难度相对较高.同时,由于系统复杂,没有“直通”电压,使得输出端的电压都需要通过储能器件进行电压变换得而,而非类似于Boost拓扑以及Buck拓扑,只需要变换输入输出电压差值,导致系统效率低于Boost拓扑和Buck拓扑.
燃料电池动力系统用直流变换器评价体系
使用燃料电池动力系统对直流变换器的需求六大关键词,并结合表2进行矩阵联立,形成表3的评价体系.其中,按照与需求关系词的相符性程度从低到高分别以0~10分表征.
从矩阵联立的结果来看,对于燃料电池动力系统用直流变换器而言,在降压运用的拓扑选择上应基于Buck拓扑和Boost拓扑或者其衍生拓扑.在升压运用的拓扑选择上应基于Boost拓扑和Boost拓扑或其衍生拓扑.
面对同样的需求功率,高电压平台由于相对较小的电流,能有效降低电能传输过程中的损耗,由此驱动系统电压平台日益提高.对于只能降压运用的Buck拓扑,在车载燃料电池动力系统的运用已鲜有报道.而Boost拓扑由于其构型简单、控制方便、高功率密度以及较高的性价比,很好地契合燃料电池动力系统对直流变换器的需求.随着数字化控制系统的成熟,交错并联技术为同时降低输入电流纹波与体积和重量提供了有效的解决方案.图2及图3为经典Boost变换器与交错并联Boost变换器拓扑比对.可以看到,交错并联Boost拓扑结构上交错并联的多条支路被平行放置,通过各支路共同并联于输入和输出端完成系统搭建,降低了单开关管的电流应力,使得小型化的开关器件得到了运用的可能.并可借助于各相运行时序的交错降低输入纹波.N路运行相位交错后,输入纹波大为降低,其最大峰峰值仅为单路经典Boost的1/N,在大功率燃料电池动力系统运用中优势明显.表4给出了经典Boost变换器、交错并联Boost变换器开关器件电气应力比较.图4为归一化后输入纹波与占空比D的关系,其中,N代表交错并联Boost变换器交错并联数量.
实际工程案例中,丰田Mirai和本田Clarity给出了大功率燃料电池用直流变换器的开发范例.Mirai使用4路交错并联Boost拓扑,满足了114 kW燃料电池堆栈的需求.Clarity使用4路交错并联Boost拓扑,满足完成了100 kW燃料电池系统的搭建,并配合使用耦合电感,使得变换器体积功率密度达到了6.5 kW/L.
结语
将隔离与非隔离直流变换器特点进行比较后,Boost拓扑最满足燃料电池动力系统用直流变换器的需求.同时,针对输入电流纹波,Boost拓扑的衍生拓扑——交错并联Boost拓扑最适合高功率燃料电池动力系统运用.
燃料电池论文范文结:
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