摘要：燃料电池DC-DC是燃料电池应用于汽车领域的关键。提出了一种三相交错并联Boost变换器，反馈采用基于PI调节的电压、电流双闭环控制，电路工作在恒压限流模式。仿真结果表明该结构能够实现稳定输出、低电流纹波，负载突变时能在0.03s内迅速响应，输出电流限制在18A以内，输入电流纹波率小于0.125，理论效率为95%，为实际应用提供了参考。
关键词：燃料电池；DC-DC；PI调节；双闭环
0背景
电动汽车技术的突飞猛进，但其电源稳定性和续航里程上的缺陷，致使发展受限。燃料电池具有高效率、大容量、启动快等优势[1]，续航里程可以达到燃油车的标准，甚至更高，氢气罐损坏，氢气出现泄漏会迅速向外扩散，氢气罐压力骤减，避免了爆炸事故的发生。
1拓扑结构设计
DC-DC变换器分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型变换器具有高稳定性，但效率差，成本高，非隔离型变换器结构简单，成本低，效率高。选非隔离型boostDC-DC变换器。与cuk和sepic电路电路相比，电路结构更简单，与Buck-boost电路相比，输出纹波更小[2]。
1.1 DC-DC变换器主电路设计
燃料电池具有弱惯性，易受负载波动影响，不能直接与负载端连接。交错并联结构具有良好的减小电流纹波的作用，减小纹波的能力随着交错相数的增加而增大。考虑DC-DC变换器实际体积与成本，选取三相交错并联Boost为基本拓扑结构，如图1所示。
图1 三相交错并联boost拓扑结构
相同功率下，三相交错并联boost各相输出电流I o’ =Io/3，每相电感值LN=3L，电感值与负载电流成反比，考虑场效应管发热P=IRMS2×RDS,。所以采用多相交错结构可以有效减少DC-DC变换器尺寸，同时可以减少开关损耗[5]。
1.2 控制器设计
图2 电压、电流双闭环控制结构
控制器设计采用电压电流双闭环模式，电流环为内环，控制方式采用恒压限流模式，当输出电流小于给定电流时，电流环相当于开环控制，其PI调节器为最大输出，电压环为恒压控制，当输出电流达到给定值时，电流环构成闭环，拉低输出电压，电压环构成开环，从而达到恒压限流输出。
2.状态空间模型建立
三相交错并联boost工作在连续导通模式，定义电感电流为xi，i=1,2,3，电容电压为x4, 开关导通和关断时，应用Kirchhoff电压、电流定律，分别分析理想状态下图1的状态[5]。
开关导通期间dT：
开关关断期间(1-d)T：
状态空间方程：
3.电路参数设计
3.1磁性元件设计
电感是DC-DC变换器的核心元件，燃料电池输出电压宽（80V-110V之间），DC-DC变换器设计应能承受最大输入电压情况下，boost变换器最恶劣输入电压为VINMIN达到最大[6],电感应在VINMIN处设计。
依据伏秒平衡 
，
电感电流方程 
，
可以推导出 
，
电流纹波率 
，
电感值 
,
电感峰值电流 
。
3.2输出电容选择
输出电容选择时额定纹波电流要不小于输出最大有效值电流[7]。
4. 仿真
燃料电池输出功率为10kW、电压在80V~110V之间，DC-DC仿真在最恶劣电压下（Vin=80V），每相电感值L=0.84mH，开关频率为20k，最大占空比为0.76 , 输出电容取值9.4×10-3F,电路工作前先将输出电容电压预充到80V，仿真波形如下。
图3三相电流波形
从仿真结果可以看出，该结构DC-DC变换器输出电压稳定在324V，相对误差为1.8%，能更好的实现升压稳压功能，三相电感电流相位依次相差120°，输入电流IAC为4A，电流纹波率r=0.125，在3.02s时突加输出功率，来仿真输出电压波形来看，输出电压能在0.03s达到稳态，响应速率快，DC-DC变换器工作效率约为95%。
5结论
针对燃料电池的软输出特性，以及燃料电池汽车功率需求，本文设计了一种基于PI调节，电压、电流双闭环控制的三相交错并联boost结构，该结构能实现恒压限流输出，防止出现电容击穿故障，同时使输入电流纹波率降至0.125，减小了电感体积。
图4输入电流纹波
图5输入、输出电流波形
图6 突加负载时输出电压响应
参考文献：
[1]李果, 毋茂盛, 余达太. 燃料电池输出功率的预测控制[J]. 电源技术, 2004, 28(6):348-350.
[2] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M]. 机械工业出版社，2009:119-139.
[3]王跃, 高大威. 燃料电池汽车交错式双boost DC/DC变换器的仿真研究[C]// 2014中国汽车工程学会年会论文集. 2014:82-85.
[4]Sanjaya Maniktala. 精通开关电源设计[M]. 人民邮电出版社, 2015:357-367.
[5]张兴. 低电流纹波高动态响应交错并联BOOST变换器的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017:8-13.
[6] 刘树林, 陈勇兵. Boost变换器的输出纹波电压分析与最小电感设计[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(6):707-711.
[7] 殷立, 王顺强. BUCK-BOOST变换器的输出能量分析及电感电容优化设计[J]. 自动化应用, 2012(8):31-33
论文作者:刘健,魏曙光
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：变换器论文; 电流论文; 电压论文; 电感论文; 燃料电池论文; 闭环论文; 结构论文; 《电力设备》2018年第19期论文;