燃料电池DC-DC变换器的研究与设计——硕士论文.doc

1、 I （申请工学硕士学位论文） 燃料电池 DC-DC变换器 的 研 究 与设计 培养单位 ：自动化学院 学科专业 ： 控制科学与工程 研 究 生 ： 指导老师 ： 年 月 燃料电池DC/DC变换器的研究与设计 武汉理工大学 II 摘 要 在新能源的开发和利用中，燃料电池因其 具备高 工作效率和 高 功率密度，对环境不造成污染，应用也不受地域限制等诸多优点而 得到广泛 关注。但是燃料电池呈现出偏软的外特性，单体电池的输出电压 仅在 1V 左右，而且受负载影响其动态特性很差，通常需要在 其 输出端加入一级 DC/DC 变换器改善工作性能。在交直流微电网的应用领域下，燃料电池 DC/DC 变换器则必

2、须具备宽输入电压范围、大升压变比、高效率以及电气隔离的特点。针对以上功能要求，本文具体设计了一台 用于交直流微电网系统的 3kW 燃料电池 DC/DC 变换器样机，在此基础上对其工作特性展开研究。 本文主要 工作 内容如下 ： 首先明确 3kW 燃料电池 DC/DC 变换器 的 设计指标 与 要求，提出三种可适用的 拓扑 设计方案，经比较最终选定隔离升压全桥变换器即 IBFBC 的拓扑结构，进而 分析了 IBFBC 电路的 稳态工作机理。分别对 IBFBC 工作中存在的启动问题、变压器漏感问题以及升压电感磁复位问题展开研究 ， 分析其成因并对 解决方案 进行比较分析 。综合各方面确定采用 带

3、有源钳位 的 IBFBC 主电路架构设计。 在主电路架构设计的基础上，根据指标要求 对 IBFBC 的主电路中的功率 MOS管和整流二极管进行选型 设计 ， 详细计算了 高频变压器、升压电感以及其他无源功率器件 的 参数。 进而 设计 了 以 DSP 28335 为主控芯片的数字控制器 的 硬件电路，具体 设计了 PWM 驱动 电路 、 AD 转换电路 和通讯电路 等，并详细 分析 了各电路的设计 原理及参数选择依据。 在建立起 IBFBC 的状态空间平均模型和交流小信号模型 基础上 ，借助于Matlab/Simulink 仿真 工具 ，从 控制 理论 角度 研究 了 IBFBC 的动、静态特

4、征 ，并采用 PID 校正 控制 改善系统性能。运用 Saber 仿真 则 验证了 所设计的 软启动控制 算法的可行性和可操作性。 进而进行了数字控制器的软件总体方案设计，分别对主程序、 PWM、 ADC 进行软件设计。 最终 完成 3kW 燃料电池 DC/DC 变换器样机 的搭建，并 进行测试 。 实验结果表明 ，带有源钳位的 IBFBC 设计 方案 在理论与实践上都具有可行性，并且能够满足 交直流微 电网 对 燃料电池 DC/DC 变换器 宽输入、大升压、高效隔离的性能要求。 关键词： 燃料电池，宽输入，大升压， 隔离升压全桥变换器 ， DSP III Abstract In the Ex

5、ploitation and Using of New-energy， Fuel cell have been widespread concerned because of its high efficiency, low environmental impact and scalability. However, fuel cell has its own defect to overcome, such as low output voltage, bad dynamic characteristics and soft output characteristics. A DC/DC c

6、onverter is usually added to improve fuel cells performance. Applied to the hybrid ac/dc micro grid, fuel cell DC/DC converter should have the ability to accept wide input, get large step up ratio and high efficiency. Electric isolation also needs to be considered. This dissertation mainly studies a

7、nd designs a 3kW fuel cell DCDC converter based on above requests. The main contents of this dissertation are as follows: Given the design parameter of 3kW fuel cell DC/DC converter, three applicable converters are compared and IBFBC is chosen as the basic main circuit. Its working principle is anal

8、yzed and the start-up problem, the leakage inductance of the isolated transformer and magnetic reset of the input inductor are discussed respectively . Eventually, 3kW IBFBC is improved by active clamp technique. According to the specific requirements, selection of devices for power MOSFET as switch

9、 and rectifier diodeParts selection is completed. Other passive components in main circuit, high-frequency transformer, boost inductor and capacitor, are presented and calculated specifically. Then based on DSP 28335, a digital controller circuit are designed in detail include PWM， ADC， SCI and CAN.

10、 IBFBCs State space average model and AC small-signal model are established. Its dynamic and static performance characteristics are studied with Matlab/Simulink and PID control is applied to improve the system. Soft-start is designed and verified in Saber. Based on DSP software develop platform CCS,

11、 the software control is designed and flow diagrams of main Program, PWM, ADC are given. The experiment and test are made on the 3kW IBFBC hardware platform. The results show that this IBFBC design for fuel cell successfully achieve high voltage step-up and wide input acceptance, and can be used to

12、ac/dc micro grid with high efficiency. Key Words: Fuel Cell, High Voltage Step-up, Wide Input, IBFBC, DSPIII 目 录 摘 要 . II Abstract .III 目 录 .III 1 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 燃料电池发电系统 . 3 1.2.1 燃料电池的工作原理 . 3 1.2.2 燃料电池 DC/DC 变换器的作用 . 6 1.3 燃料电池 DC/DC 变换器研究现状 . 8 1.3.1 非隔离 Boost 变换器 . 8 1.3.2 LLC 谐振变换

13、器 . 10 1.3.3 隔离 PWM 变换器 . 12 1.4 主要研究工作 . 14 2 燃料电池 DC/DC 变换器方案设计 . 16 2.1 设计指标与性能要求分析 . 16 2.2 隔离升压全桥变换器的工作原理 . 17 2.3 隔离升压全桥变换器的关键问题分析 . 22 2.3.1 启动问题 . 22 2.3.2 变压器漏感问题 . 24 2.3.3 升压电感磁复位问题 . 30 2.4 改进型隔离升压全桥变换器电路 . 31 2.5 本章小结 . 31 3 隔离升压全桥变换器硬件电路设计 . 32 3.1 隔离升压全桥变换器主电路设计 . 32 3.1.1 高频变压器设计 . 3

14、2 3.1.2 升压电感的设计 . 35 3.1.3 有源钳位电容的设计 . 36 3.1.4 功率开关管的选型 . 36 3.1.5 整流二极管的选取 . 37 3.1.6 输出滤波电容的设计 . 38 3.2 数字控制器设计 . 38 3.2.1 DSP 28335 概述 . 39 3.2.2 驱动电路设计 . 40 3.2.3 采样电路设计 . 42 IV 3.2.4 通讯电路设计 . 45 3.3 本章小结 . 46 4 隔离升压全桥变换器建模分析与软件设计 . 47 4.1 隔离升压全桥变换器建模 . 47 4.1.1 状态空间平均模型 . 47 4.1.2 交流小信号模型 . 48

15、 4.2 隔离升压全桥变换器控制算法设计 . 49 4.2.1 PID 控制算法 . 49 4.2.2 PID 控制器设计 . 51 4.2.3 软启动控制设计 . 55 4.3 隔离升压全桥变换器软件程序设计 . 56 4.3.1 主程序 . 56 4.3.2 中断服务程序 . 57 4.3.3 PI 调节子程序 . 58 4.4 样机性能测试与分析 . 60 4.5 本章小结 . 63 5 总结与展望 . 64 5.1 全文工作总结 . 64 5.2 后续研究工作设想 . 64 参考文献 . 66 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 69 致 谢 . 70 1 1 绪论 1.1研究背

16、景及意义 能源，是现代科技文明与人类社会得以存在和延续的基础。每一次能源的深刻变革与飞跃发展，都会使社会文明向前迈出巨大的一步。现在电力已 成为最重要的能源利用形式，中国能源报曾刊载文章，该文对中国全社会的用电量做出预测，预计到 2030 年中国总用电量会高达 111,200 亿千瓦时的高峰值，如图 1-1所示 1。以目前的发展形式和国家出台的相关政策来看，这种预测的总体趋势仍然是正确的。 图 1-1 中国用电量需求预测图 图 1-2 火力发电厂的废气排放 当今世界主要的发电形式有火力、水力以及核能三种，且火力发电是最主要的形式。通过燃烧煤、石 油、天然气等，火力发电将燃料中的化学能转换为电能

17、输送出来。但是火力发电效率很低，燃烧过程中所排放出来的废气含有大量的 二氧化硫、粉尘 等有害物质，对大气层和人类生存环境造成污染，如图 1-2 所示。此外，煤、石油、天然气等化石燃料属不可再生资源，它们的过度开采和大量燃烧造成土地荒漠化、酸雨、气候变暖等严重生态问题，而且已 濒临 枯竭 的危险 。能源危机、环境污染、生态破坏，已成为掣肘火力发电继续利用和发展的三大弊端。 水力发电虽然是一种清洁能源，但是水电站的建设与地理条件密切相关；核能发电最大的问题就是不安全，一旦发生核泄 漏、核爆炸等重大事故都无法得到妥善处理，而且核事故所带来的负面影响也将会持续上百年之久， 切尔诺贝利核事 件就是最好的

18、例子。而且大中型水电站或核电站的建设工期也比较长，一般来2 说需要 6 到 10 年 2。风能、太阳能等新型发电技术虽不消耗地球资源、也不会对环境造成污染，近些年发展迅猛，但受到地理、气候等外部环境因素的影响，尚未能形成规模被应用起来。 相比而言，燃料电池发电有着无与伦比的优势。作为发电装置，燃料 电池（ Fuel Cell， FC）可以直接将燃料中的化学能转化为电能输出，不需要经过燃烧、热机过程，而且对燃料的利用效率高，环境友好，几乎不排放出含氮、硫的有害气体或物质，具有高可靠性、大功率密度、低噪音、易于建设等优点。与其他新型发电方式相比，燃料电池不再受地域等因素限制，可以被应用于各种发电领

19、域，是继火力、水力、核能之后最具潜力的第四代发电装置 3。对燃料电池的应用展开研究，将会对人类的能源利用 方式产生巨大的影响。 燃料电池发电虽具有上述的诸多优点，但是燃料电池的直流输出电压很低且易受负载影响而不稳定，不能直接 被 使用，必须为其配置功率调节系统（ Power Control System， PCS）管控 其输出。 通常 PCS 都是一级 DC/DC 变换器，其输入端与燃料电池输出直接相连，通过控制该 DC/DC 变换器，将燃料电池的输出 电压维持在某 个稳定的电压等级 下 ，从而满足 后级 设备的用电需要，我们称这样的 DC/DC变换器为“燃料电池 DC/DC 变换器”。 燃料

20、电池 DC/DC 变换器与燃料电池 组（包括燃料电池以及燃料供给系 统等）构成了基本的燃料电池发电系统 4。燃料电池 DC/DC 变换器 其性能的好坏将会直接影响到整个燃料电池发电系统性能的好坏。研究和设计功能完善、性能良好且安全可靠的燃料电池 DC/DC 变换器对于燃料电池的进一步推广使用将具有十分重要的应用价值和研究意义。 图 1-3 5kW 交直流微电网系统 3 很多情况下都需要燃料电池 发电系统输出较高的电压 ，这种需求在交直流混合微电网中显得尤为突出， 因此 燃料电池 DC/DC 变换器面临着大升压变比、宽输入电压范围、高工作效率 和电气隔离等 应用问题和 设计 挑战。本文将主要围绕

21、这些问题，对燃料电池 DC/DC 变换器 展开研究和 设计， 同时 也为类似应用背景 下 的燃料电池 DC/DC 变换器设计提供一个 行之有效 的解决思路和技术方案。本 研究 课题来源于实验室与台湾第四大电力设备企业 中兴电工机械股份有限公司 联合开发的“ 5kW 交直流微电网” 下属 子项目“ 3kw 燃料电池发电系统”， 如 图 1-3 所示 。 1.2燃料电池发电系统 1.2.1 燃料电池的工作原理 英国科学家威廉格罗夫爵士于 1839 年提出了将氢气和氧气 混合在电解液中产生电和水的发电原理，燃料电池的概念从此诞生。但近一个多世纪以来，石油的广泛开采以及内燃机的大量使用，使得原本造价昂

22、贵的燃料电池一直得不到研究与应用。环境污染日益严重，全球石油供应断链时有发生，引发了人们对能源的担忧，同时也重新激起了人们对燃料电池的重视。 化学能 电能燃料电池发电路线热能 动能传统发电路线图 1-4 燃料电池与传统发电路线的能量转换图 与传统发电的方式不同，燃料电池可以将燃料中的化学能直接转化为电能输出而无中间环节，如图 1-4 所示。整个能量转化过程是基于电化学反应实现 的，因而不受卡诺循环的限制，且能量转换效率极高，干净无污染，噪声低，可积木化，可以长时间稳定工作 5。只要外界能够持续地提供充足的燃料，燃料电池就能持续地输出电能，其燃料供给系统结构如图 1-5 所示。 4 图 1-5

23、燃料电池的燃料供给系统结构示意图 单体燃料电池都是由阳极（燃料极）、阴极（空气极）以及电解质膜三部分组成。以质子交换膜燃料电池的工作过程为例，当作为燃料的氢气送至阳极时，在电催化剂的作用 下，氢原子被分解成带正电的氢离子和带负电的电子。阳极和阴极之间的电解质只允许氢离子通过，这样的话，电子只能通过外电路到达阴极。一旦电子到达阴极，氧气就会同氢离子、电子发生化学反应，结合生成水。连续的反应促成了电子不断地流动从而在外电路上形成直流电，这就是图 1-6（ a）所示的燃料电池发电过程。整个过程可以用以下基本化学反应式来解释： 阳极（燃料极）： -2 e4H4H2 （ 1-1） 阴极（空气极）： OH

24、2e4H4O 2-2 （ 1-2） 综合反应式： OH2OH2 222 （ 1-3） 电解质 阳极 阴极外电路2HeH2OOH 2排出（ a） 工作原理图 （ b） 实物图 图 1-6 燃料电池 根据电解质的不同，燃料电池可分为以下五类： 碱性燃料电池（ Alkaline Fuel Cell， AFC）、磷酸燃料电池（ Phosphoric Acid Fuel Cell， PAFC）、质子交换膜燃料电池（ Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（ Molten Carbonate Fuel Cell， MCFC）和固体氧化物燃料

25、电池（ Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）6, 7。每类燃料电池都需要特殊的电极和电解质，并且对应于不同的应用场合和工5 作条件。下表 1-1 列出了各种燃料电池的特性以及应用情况。 表 1-1 五种主要类型燃料电池特性 类型 AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 燃料 纯氢 纯氢 纯氢 天然气 煤气，沼气 天然气 煤气，沼气 电解质 KOH 溶液 质子交换膜 43POH 熔融态碳酸盐 固体氧化物 导电离子 OH H H 23CO 2O 氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气 阳极材料 多孔石墨板 多孔石墨板 多孔石墨板 多孔镍板 3ZrONi 阴极材料 金属或

26、石墨 多孔石墨板 多孔石墨板 NiO 3LaCoO 工作温度 / 60120 60120 160220 6001000 600-1000 应用 太空飞行 国防 汽车、潜水艇 移动设备 热电联产发电厂 热电联产发电厂 联合循环热电厂 电厂船 铁路用车 发电厂 家庭电源传送 图 1-7 燃料电池组串联结构示意图 单体燃料电池的输出电压其实很低， 仅就 质子交换膜燃料电池而言，其单体电池的开路电压约为 1 V 左右，带负载后 输出电压会更低 。所以实际应用中的燃料电池是以 单体电池 串联的结构压制成的燃料电池组如图 1-7 所示，这样以来燃料电池的输 出电压就 有所提 高。但是过多的单体电池串联会大幅度地增加燃料电池