具有完全知识产权的燃料电池汽车用大功率DC-DC变换器

河北科技大学、北京航空航天大学针对燃料电池电动汽车用DC-DC变换器复杂的输入输出特性要求,深入研究了燃料电池车用大功率DC-DC变换器控制系统,在输出恒压、输出恒流和输入欠压三闭环系统的基础上,通过增加复合自动控制器、动态选择控制特性调节信号的方法,提出一种复合输入输出特性控制方法,并开发出相应控制系统,该研究对于燃料电池电动汽车的研制具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

本论文的研究内容来源于国家“十一五”863计划节能与新能源汽车重大项目之“车用大功率DC-DC变换器研发”,是国家“十五”863计划电动汽车重大专项“燃料电池车用大功率DC-DC变换器”延续和深入研究。

DC-DC变换器是燃料电池电动汽车不可或缺的重要部件,是燃料电池电动汽车安全、可靠、高效运行的重要保障之一,与燃料电池电动汽车一样具有巨大的潜在市场和长远需求。随着能源危机和环境污染的加剧,国内外各大汽车研究机构都在大力研究开发节能、零污染的燃料电池电动汽车。目前研制的大多数燃料电池电动汽车中,大功率DC-DC变换器是必不可少的关键零部件之一。燃料电池电动汽车要求DC-DC变换器必须具有功率大(几十个到上百个千瓦)、效率高(大于96%)、安全可靠、体积小等特点。但是由于燃料电池电气输出特性较软且动态响应能力不足,采用DC-DC变换器对其进行功率变换、能量传递和控制是一种有效的解决方案,DC-DC变换器作为能量控制执行单元,实现对燃料电池发动机和动力蓄电池的输出进行控制,从而实现整车控制器对燃料电池车不同的控制算法,以此来提高燃料电池车动力性、燃料经济性以及其他整车性能指标。这样就要求DC-DC变换器必须具备静动态特性好、外特性调节方便、多种输入输出特性控制模式及自动切换的功能。

这一问题,在《中国电机工程学报》(Proceedings of the CSEE)2009年6月第18期的论文《燃料电池车用大功率DC-DC变换器复合输入输出特性控制系统》中得到了全面阐述。

论文指出,在常规开关电源中,一般只对输出特性进行控制,很少涉及对输入特性的控制,燃料电池车用DC-DC变换器不但要对输出进行恒压、恒流控制,还要求燃料电池在最低电压工作点(即“欠压点”)时,DC-DC变换器能够实现恒功率或减功率控制,以使发动机工作电压维持在欠压点,这是对DC-DC变换器提出的一种特殊控制特性——“输入欠压控制”。另外还要求输入输出特性之间可以自动切换,来满足整车控制策略,这些都大大提高了变换器控制系统设计的难度。

论文针对上述特殊控制要求,首先建立了输出恒压、输出恒流和输入欠压控制的闭环调节系统,然后将3个闭环控制输出调节值送入复合控制器,来选择当前的闭环调节系统,得到最终的调节信号(为三路特性信号之一,并且随着输入输出状态的变化不断自动变化),对PWM电路进行脉宽调制控制,调节绝缘栅双极型晶体管的占空比,实现DC-DC变换器的输入输出控制。按照复合输入输出特性控制的原理,建立了系统的数学模型,得到了控制系统输入输出与占空比之间的关系,并进行了仿真和实验研究。结果表明,DC-DC变换器输出恒压、输出恒流和输入欠压特性可以根据控制信号的变化进行切换,系统动态响应快,实时性和稳定性好,验证了控制系统的有效性和实验的可行性。

本研究成果应用于燃料电池汽车所需的高性能、高容量、高功率、高密度、高效率、高可靠性的大功率DC-DC变换器。截止到2008年底,已研制出多种规格的高效节能的车用大功率单向DC-DC(最大变换功率高达170kW以上)、双向DC-DC和辅助DC-DC变换器。所研制DC-DC变换器已装载于国内多台燃料电池汽车中,单台零故障累计运行六万多公里。研究结果为大功率DC-DC变换器在燃料电池汽车中的应用提供了有效的技术方案,为我国燃料电池汽车的研究开发及产业化奠定了一定的技术基础。

延伸阅读 ——燃料电池及DC/DC变换器

什么是燃料电池

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来了。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的,至今已有大约160年的历史。

燃料电池有何特点

燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说,燃料电池具有以下特点:

(1)能量转化效率高。直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料——电能转换效率在45%～60%,而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低,CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低,无机械振动。

(3)燃料适用范围广。

(4)积木化强,规模及安装地点灵活,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。

(5)负荷响应快,运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。

中国燃料电池技术的发展现状

中国早在20世纪50年代就开展了燃料电池方面的研究且在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。中国政府十分注重燃料电池的研究开发,陆续开发出百瓦级～30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展,开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组,开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机,使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。

在当今全球能源紧张、油价高涨的时代,寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显,清洁、高效,因此得到各国政府的大力支持,加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足,所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。

DC/DC(直流-直流)变换器

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。通过对电力电子器件的通断控制,将直流电压断续地加到负载上,通过改变占空比改变输出电压平均值。

直流-直流变换器(DC-DC converter)内部一般具有PWM(脉宽调制)模块、E/A(差错放大器模块)、比较器模块等几大功能模块。其工作原理为:输出经过FB(反馈电路)接到FB pin,反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp比较后,产生差错电压信号,差错电压信号输入到PWM模块,PWM根据差错电压的大小调节占空比,从而达到控制输出电压的目的,振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波,三角波经过斩波电压斩波后,产生方波,其方波就是控制MOSFET的导通时间从而控制输出电压的。