燃料电池汽车用新型交错式DC/DC 系统的研究

李亚涵 孙 飞

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

1 概述

因具有良好的环保特性及运行性能，燃料电池被广泛应用于新能源汽车行业，并且已经带来了巨大的经济效益，然而在创造经济效益的同时，燃料电池的缺陷日益突显，如输入输出纹波大等问题引发了广泛关注。为了解决这样的问题，许多学者在DC/DC 拓扑结构上进行了研究。

目前，国内已经有多种燃料电池DC/DC 系统，文献[3]中提到了四相交错式Boost 升压拓扑结构，该拓扑采用多相交替导通策略，低功率需求时，部分相导通，降低了功率损失，提高了转换效率，但该拓扑中器件总数过多，导致其体积大、功率密度低，此外，该拓扑在进行控制时采用四相交错技术，控制难度大；文献[4]中提到了双Boost 升压拓扑结构，该拓扑中开关器件较少，且两个开关器件只需要相同的PWM 驱动即可，但该拓扑升压等级较低，且输入电流纹波存在尖峰，会减少质子交换膜燃料电池的使用寿命；文献[5]中提到了两级式升压拓扑结构，前级为两相交错式Boost 结构，后级为自耦全桥升压结构，该拓扑在一定程度上可以减小输入电流的低频纹波含量，提高纹波频率，并且可以满足较大升压比，但也存在开关器件多，功率损耗多的问题，且拓扑中含有变压器，结构复杂，实现难度较大。

本文以提高燃料电池车用DC/DC 的性能为目的，提出了一种基于三相交错式Boost 结构的新型DC/DC 结构，该拓扑在三相交错式Boost 结构的基础上增加了输入侧滤波电感和π 型缓冲电路，有效抑制了输入电流纹波和输出电压纹波，提高了开关频率，通过仿真验证了拓扑的可行性。

2 电路原理分析

传统交错式Boost 的拓扑结构如图1 所示。

图1 传统交错式Boost 变换器

本文在传统交错式Boost 结构的基础上引入了输入滤波电感和 型缓冲电路，该结构的加入可以最大程度地降低DC/DC系统的输入输出纹波。为了防止开关器件被导通时产生的尖峰电流破坏，本文为开关器件设计了RCD 吸收电路，RCD 电路的设计可以很好的吸收开关器件导通产生的尖峰电流和电压，起到保护开关器件和主电路的作用，同时可以降低系统的有功损耗，提高变换器的转换效率。增加RCD 吸收电路的拓扑结构如图2 所示。

图2 优化后的Boost 变换器

三相交错式Boost 拓扑结构其本身的计算和单相Boost 电路类似，为了降低设计的复杂程度，本文将其简化为单相Boost电路计算。

由于开关器件的存在，所以Boost 变换器采用的控制方式是PWM 控制，即电路需要通过控制PWM 的占空比的形式，控制开关器件的导通和关断，进而控制电路实现升压的功能。当PWM 的占空比不同时，电路也会工作在不同的状态，电路三种状态如图3(a)、(b)、(c)所示。

图3 Boost 变换器电路的3 个工作状态

如图4 中所示，根据基尔霍夫定律可得

图4 Boost 电路在CCM(左)和DCM(右)状态时工作波形

当电路正常工作时，如果只出现了状态1 和状态2，此时，电路工作在CCM 状态，如果出现状态1 和状态2 的同时，出现了状态3，那么电路就工作在DCM 状态，可以通过调整电路参数或者PWM 驱动信号的占空比，调整电路工作的状态，这两种状态之间的临界状态为BCM 状态。

模态1：t0～t1

当开关器件导通时，us=0，由式（1）可知uD=Uo，uL=Ut。在开关管导通期间，即在ton时间内，如图5 所示，电感电压等于Ui，且保持不变，电感电流按一定系数增长。 根据电感元件的性质以及其电压和电流关系，可知在ton时间内，电感电流的增量为

模态2：t1～t2

在开关器件关断期间，即在toff时间内，在输入电压和电感的自感电动势的作用下，二极管开始导通，所以其两端电压uD=0，由式（1）可知us=Uo，uL=Ui-Uo，由于在Boost 电路中Uo>Ui，所以uL>0，电感电流按一定系数下降。

模态3：t2～t3

DCM 状态时，在t2～t3这段时间内，电感电流始终为0，根据电感电流和电感电压的关系可知，电感两端电压uL=0，根据式(1)可得uD=Ui-Uo，us=Ui。

3 仿真分析

为了验证提出的的拓扑结构的有效性，本文对拓扑进行了仿真实验，表1 是10.5kW 燃料电池DC/DC 系统技术要求。转换效率，系统开关频率的选取至关重要，太低的开关频率会增加系统的电路的设计难度，进而增加整个系统的体积，太高的开关频率会增加系统的开关损耗，开关损耗的增加意味着系统的转换效率会下降。考虑到以上原因，最终确定系统开关频率为5kHz。

表1 10.5kW 燃料电池DC/DC 系统技术要求

表2 仿真DC/DC 系统技术参数

当系统工作于CCM 模式，其传递函数为：

此时系统是四阶系统，求解其特征方程，可以得到一对具有负实部的共轭负责，所以系统工作于CCM 模式时系统不稳定。

当系统工作于DCM 模式，其传递函数为：

此时系统是三阶系统，求解其特征方程，不存在共轭负根，所以系统工作于DCM 模式时系统稳定。

仿真电压输出结果如图5 所示，电压稳定输出473V，纹波电压为1V，系统纹波系数为0.2%，符合系统的电压纹波要求，系统可以稳定工作无振荡，有效的延长了燃料电池的使用寿命。

图5 仿真电压输出波形

仿真电流输出结果如图6 所示，输入电力稳定在100V，纹波小于0.2A，抑制纹波的效果非常明显，符合系统的输入电流的要求，有效的改善了燃料电池的工作环境。

图6 仿真电流输出波形

以上结果表明，本文所提出的增加输入滤波电感和π 型缓冲电路的DC/DC 系统，能够有效降低输入电流和输出电压的纹波，改善燃料电池的工作环境，延长燃料电池的寿命。

4 结论

本文提出了一种可以有效减小输入电流和输出电压纹波的燃料电池汽车用DC/DC 系统，该系统基于三相交错式Boost结构设计，增加了输入滤波电感和π 型缓冲电路，该系统基于非隔离式结构设计，降低了设计难度，减小了整个系统的体积；采用交错式结构，有效提高了系统的开关频率。通过仿真实验，验证了增加输入滤波电感和π 型缓冲电路，可以有效的减小了输入电流和输出电压的纹波。