1、分析并设计一个大功率电子负载控制器为燃料电池组测试 摘要 燃料电池 （ FC）组是燃料电池电动车的动力源，他的输出电流和功率通常相互需要通过测试来控制。电子负载控制器（ ELC）经常被引入 FC 测试系统来控制直流总线。这样的负载所要求的特点应该有高功率、高可靠性、高转速和低成本的动态响应。在本文中，一个高特性的电子负载控制器对燃料电池组进行测试是根据燃料电池组的输出特性要求。为了确保持续的输入电流，主电路采用双并联BUCK 和 LC 滤波器。为了抑制有输入滤波器引起的共振，输入电流的负载循环传递函数的获得通过使用平均模型 ，然后通过闭环控制 实习有效电流模式。以燃料电池组极化曲线为基础，也可
2、以实现有功功率模式和欠压保护功能。这种电子负载控制器已经成功运用于 60KW 的燃料电池组测试系统中，同时取得了良好的精度和动态特性。 关键词 ：燃料电池；电子负载；输入电流和功率控制 1 引言 近年来，能源短缺和环境污 染的问题不断的被恶化。燃料电池电动车因为节能和环保特性已经将世界的目光吸引到汽车方面。燃料电池组是燃料电池电动车的动力源，他的输出性能直接影响汽车的流动性，因此，必须在安装前进行测试和评估。 广泛使用的设备包括电阻，水电阻和电子负载 。电阻和水电阻可以应用于高功率燃料电池组的测试。然而，前者只能达到连续调整，并且有一个固定的电阻或者负载特性曲线。 虽然后者可以实现无级调整，
3、但是 可调范围比较狭窄，只能履行的输出特性曲线测试的一部分 。尽管从很多不同的工厂能提供不同种类的电子负载控制器【 1-4】，但只有很少是专门进行燃料电池系统测试的，他们缺乏交流和欠电压保护功能，因此给燃料电池组的测试增加了难度【 5】。此外，市场上的产品非常的昂贵，每千瓦的耗资高达数千美元【 6】。 制造商的网站和产品说明书上不提供他们产品的设计细节，从相关文件上获得的资料也是 很有限的。以一个 12V/5A 的燃料电池控制器样本为原型进行测试【 7】，它使用全桥，结合模拟控制和数字控制，这种电子负载控制器有较强的适应性。另一种可控的直流负载引入，它可以产生完整的燃料电池组极化曲线以及太阳能
4、电池阵列 V-I 特性。这种可编程直流负载可以用来模拟一个可变电阻、可变电流或可变电力负荷，参考文献【 8】对电子负载控制器和燃料电池作了详细介绍以及低功率电子负载控制器的发展。 在此提供一个高功率电子负载控制器的建议。在第二部分， 燃料电池 输出特性试验要求和试验平台的结构将 提出。第三部分和第四部分是目前控 制电路和系统设计的电子负载控制器。 一个 60KW 的 样机的开发是为了证明 设计过程的有效性 ， 仿真和实验结果验证了分析和设计过程。 2 燃料电池组 测试要求输出特性和测试纲领 结构 A 燃料电池组 测试要求 的输出特性 燃料电池组的主要电气性能检测项目包括它的极化曲线（ V-I
5、特性曲线）和动态。单个电池的极化曲线可以分为 3 个区域：活跃的区域，欧姆极化的区域和浓度极化区域，如图 1 所示。活跃的区域是在负载开始的时候，此时输出电压下降快。活跃区域后面是欧姆极化区域，此时输出电压几乎成线性下降，输出电流成线性增加。当输出电压下降到一个固 定值，如果继续增加输出电流，那么单电池将会被过度使用，它的寿命将会大大缩短。这个区域称为浓度极化区域。燃料电池组的极化曲线接近于单电池的，而他的具体参数确定由电池组所包含单个电池的数量、组合模式和衰减率来决定。 图 1 单电池的输出特性 这使得 V-I 特性在不同的燃料电池组中有巨大的差异。动态特性是实际值跟随目标值的响应速率。这
6、2 个因素确保燃料电池组执行车辆控制的命令，直到它及时正确。输出电流和燃料电池组的功率在测试过程中需要控制，而且一个欠压保护机械装置也需要防止燃料电池组进入浓度极化区域。 B 测试纲领 测试纲领方案如图 2 所示。工业个人计算机（ IPC）连接燃料电池组和电子负载控制器。它检查通过 CAN 总线的电池组的状态，并发送目标电流值、目标功率值、控制模式和欠压保护值给电子负载控制器。输入电流和功率，也就是燃料电池组的输出电流和功率可以正确的改变通过改变电子负载控制的等效阻抗。 图 2 测试纲领 3 电子负载控制器的电路设计 由于电子负载控制器需要可变电流的控制，电流源的拓扑结构比电压源的更好。电流源
7、的基本拓扑结构可以分为两种类型，根据是否使用变电压分为隔离和非隔离。 A 隔离拓扑 有三种比较常见的隔 离拓扑类型：全桥、半桥（ L 型）和推挽。由于电池组的输出功率比较广泛从 0 到 60KW，拓扑结构的选择应考虑测试条件和功率器件参数限制。谈到电压源的拓扑结构，全桥电路比其他两个电路有最低的电压和电流 压力。但是，全桥电路需要四个开关，并且在同一桥臂开关旁需要开 /关交替运行，该驱动电路比较复杂，传入变压器也将增加成本。此外，在隔离拓扑优势并不明显的情况下，燃料电池测试系统中没有必要提供 muti 输出。因此，隔离拓扑结构并不是最好的选择。 B 非隔离拓扑 在非隔离拓扑中有三种常用到的类型
8、：降压、升压和降压升压。降压升压电路 由于它的高电压和电流应力，主要用于低功耗的情况下。升压电路是低输入电流纹波的首选，但它的输出电流不能达到完全关闭。降压电路可以开关自如，但它的输入电流是不连续的。燃料电池组不能忍受高单溜纹波。尽管增加一个输入电容能够在一定程度上减少脉动电流，但纹波仍然不能够让人满意，输入电流的精确控制也难以执行。 C 双并联降压输入 LC 滤波器 为了确保连续的输入电流控制电子负载控制器同时做一个开关进一步减少电压和电流应力，设计了一个双并联降压输入低通滤波器，如图 3 所示。首先，滤波电感和和高频电容加在降压电路的输入。该电感器的 输入电流持续在整个工作周期，并能成功的
9、抑制纹波。输入电流的功率和电子负载控制器能通过改变P1 驱动信号进行校正。 为了进一步的减少电压和电流的应力，电路选择了双并联结构。他们两个都与输入一起加到输入滤波器中并与输入电容 C3 共享。同样在 FEL(前端负荷 )的输出电流的大小，每个支流的电流是总电流的一半，同时di/dt 也降低到 50%。电压波尖时寄生电感断开，根据寄生电感所引起的同样减少，因此，系统的可靠性得到改善。 图 3 电子负载的总电路 4 电子负载控制器的控制系统设计 增加输入低通滤波器可以确保连续输入电流，然 而，它也会引起谐振问题。振荡的理由在【 11】中被解释为一负动态电阻代替了一个理想的开关稳压器。等效电路的特
10、征多项式包含了一个负项，它代表一个无限的，因此系统是不稳定的。如果再设计输入滤波器时忽略反馈系统，那么会发生多次振荡频率的共振。这种不稳定的问题可以通过引入适当的抑制到输入滤波器【 12】得到控制，然而整个电路会更加的复杂。实际上，如果在最开始设计反馈系统时考虑输入滤波器的影响，振荡也可以被避免。 A 变电流模式 选择输入电流为控制变量，典型的反馈系统如图 4【 13】所示。不论是否含有滤波器， PWM 发电机的传 递函数 Gm（ s）和反馈网络的传递函数 H(s)相当于没有输入滤波器的电路。而输入电流 负载循环 的传递函数 Gid（ s）却不同，补偿网络的传递函数 Gc（ s）应根据函数 G
11、id（ s）进行调整。 图 4 闭环控制系统的结构 由于每个分支的并行拓扑结构是一样的，仅建立在一个分支上的小信号状态方程是合理的。选择支路 1（包括 T1）为研究对象，转换器的状态变量由 Ui、 1LI 、3LI 、 3CU 、 和 D（负载循环）定义。当 T1 打开时，电路工作在模式 1， 如图 5（ a）所示。利用平均法【 14】，模式 1 的连续电流模式（ CCM）方程可以写成如下所示： 11111133333310 0 01( ) ( )1100( ) ( )0 ()11( ) ( )00 0( ) ( )01100LLCCiLLCCLi t i tLu t u tCCduti t
12、i tdtLLu t u tC R C （ 1） 当 T1 关闭的时候，电路工作在模式 2，如图 5（ b），模式 2 的 CCM 方程可以写成： 111113333310 0 01( ) ( )10 0 0( ) ( )0 ()1( ) ( )0 0 0 0( ) ( )01100LLCCiLLCCLi t i tLu t u tCduti t i tdtLu t u tC R C （ 2） 开环输入电流的负载循环传递函数如下所示： 22 1 04 3 24 3 2 1 0()id B s B s BG s K A s A s A s A s A （ 3） 021 3 122 1 1 1 3
13、 3 33 1 1 34 1 1 3 3021 3 32 3 31( ) /2/iKUAA L D L RA L C D L C L CA L C L RA L C L CB D RB D C D L RB L C D R (4) 元件值的选取为： 1 2 3 4122004001400iL L L L uHC C uFRUV PI 调节器的传递函数为： ( ) (1 ) / ( )G s k sT sT （ 5） 根据传递函数的幅频特性， PI 调节器的参数为： 0.01, 0.01KT 设置 50refIA ,响应曲线如图 6 所示。 图 5 开关状态为开（ a）、关（ b） 图 6 输入
14、电流的动态响应曲线 B 可变功率 模式 可变功率模式意味着一个目标功率值 aimP 是通过 CAN 总线从 IPC 中得到的。电子负载控制接受这个命令并调整负载 D 改变输入电压 iU 和输入电流 1LI 、 2LI ，使输入电压和输入电流与目标功率值相符。也就是： 1 1 i 1 i( ) = 2a im i i L L LP I U I I U I U （ 6） 可变功率模式需要同时调整输入电压和输入电流， 这增加了控制的难度。但是，可以从燃料电池组 V-I 特性曲线看出输出电压和输出电流之间存在的联系。这是更明显的欧姆极化区域。随着输出电流的增加，输出电压线性下降。在测试过程中，活跃区域
15、找有很窄的范围，在浓度极化区域工作将会减少电池组的寿命，应通过欠压保护来避免。 绝大多数的测试都是完成在欧姆计划区域，利用极化曲线，可以大大的简化可变功率的控制。 在这里，可变功率模式是建立在可变电流模式的基础上。当电子负载控制器接收 到目标功率值 aimP 时，首先抽取样本输入电压 iU ，然后通过公式（ 6）转换目标功率 aimP 到目标电流 1I 和 2I ，动态调整过程如图 7 所示：电子负载控制器开始的输入功率为 P1，为图 7 中这线所示。静态工作稳定点在燃料电池组的 伏安特性曲线和恒功率曲线 P1 的交点 A 处。当电子负载控制器收到P2 目标功率值的改变，它的第一个样本电流输入
16、电压 AU ，然后计算第一次调整目标电流值 2 /BAI P U ，使稳定工作点从 A 点移动到 B 点。假设目标功率 P2 仍然保持不变，电子负载控制器重新样品的电流输入电压 BU 计算第二次调整目标电流值 2 /CBI P U ，然后稳定工作点从 B 点移动到 C 点。重复上述进展使静态工作点无限接近 FVE 的伏安特性曲线和恒功率 P2 的曲线，并最终稳定在 Z 点。燃料电池组的特点是随着电流的增加输出电压减少，这保证了实际上电流沿一个方向接近目标值。这意味着当目标功率值保持不变时，目标电流的转换式中是上升或者下降去接近目标值而不是左右浮动接近。这满足了测试的输出电流的变化不能太快的要求
17、。此外，这种控制法则不需要额外的补偿网络，只需要变电流模式和补偿网络共享。从而使控制系统简单化。 图 7 输入功率动态调整曲线 C 控制系统的硬件和软件设计 控制系统的硬件结构如图 8 所示 。使用 DSP2407 作为主芯片，它包含了 AD转换器和 CAN 控制器。 ELC 的输入电流和电 压可由外部采样电路采样。对目标电流 /功率和欠压保护可以从 IPC 通过外部的 CAN 收发器收到，同时，输入电流和功率将被送回到 IPC。通过外部数字模拟转换器（ DA），目标电流值将给出当前值当前值与样本电流值比较找出错误的信号。通过 PI 调节器，错误的信号将被转换成由 PWM 发生器需要的负载去控
18、制开关开 /关。保护电路可以应用于过流和过温保护，它可以自动的关闭驱动和切断输出。 程序流程图如图 9 所示。 DSP2407 通过 CAN 总线从 IPC 接收到命令，并进入CAN 中断服务程序，获得输入欠压值 inOffU ，控制模式模式，目标功率 aimP 目标电流 aimI 。在开始的时候，将欠压值 inOffU 和 ECL 的采样电压 iU 比较。当 iU 低于 inOffU时， ECL 的输出将会切断，否则方式将被控制方式所决定。模式 =0 代表变电流模式，模式 =1 代表变功率模 式。在变电流模式中， DSP2407 根据电流传感器比例想DA 转换 aimI 并将它传递个 PI
19、调节电路，然后退出 CAN 中断服务程序。在可变功率模式， DSP2407 转换 aimP 到相应的输入电流 aimI ，然后发送相应的 DA 值到 PI调节电流。 CAN 中断服务程序直到目标功率和实际功率之间相差小鱼 0.1KW 时才停止。 图 8 控制系统硬件结构 图 9 程序流程图 5 实验结果 图 10 显示了输入 电感电流 I1 和 I2 的波形。图 11 是在可变电流模式实际电流和目标电流的比较，可以看出这两条曲线几乎重合。图 12 是在可变功率模式下实际功率和目标功率的比较，可以看出实际功率稍微滞后与目标功率（小于1s）。在实验的基础上，可以看出高功率的 ELC 可以实现变电流和变功率的控制，而且具有较高的准确性和快速的动态响应。 图 10 输入滤波器电感的波形 图 11 实际电流与目标电流
