氢燃料电池轿车用降压dc―dc变换器设计研究

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1、氢燃料电池轿车用降压DC―DC变换器设计研究　　【摘要】基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）轿车上燃料电池电压顺应负载工作电压变换的原理，设计了一种针对质子交换膜燃料电池使用的降压式DC-DC变换器，其主电路采用buck电路，控制电路采用开关控制器控制，通过Matlab/similink仿真对变换器的稳定性和抗干扰性能进行检验。结果表明，所设计的降压DC-DC变换器具有较高的调压、稳压以及抗干扰性能。　　【关键词】PEMFC；DC-DC；Buck；建模仿真　　【Abstract】Basedontheprincipleoffuelcellvoltagechanged

2、withtheworkloadvoltageintheprotonexchangemembranefuelcell（PEMFC）vehicle，ABuckDC-DCconverterusedbyPEMFCweredesigned.TheBuckDC-DCconverterusesswitchcontrollertocontrol.Thestabilityandanti―jammingperformanceoftheconverterweretestedthroughtheMatlab/simulinksimulation.Theresultsshowthatthe

3、designedBuckDC-DCconverterscanregulatevoltageandmaintainvoltagestabilityverygood.　　【Keywords】PEMFC；DC-DC；Buck；Modelingandsimulation　　0前言5　　质子交换膜燃料电池是利用氢气作为燃料，空气作为氧化剂，经过化学反应产生电能以及生成水。质子交换膜燃料电池电动车以其效率高、零污染、氢气来源广泛等诸多优点，被视为人类未来最理想的汽车。在燃料电池轿车的实际应用中，一方面考虑到目前燃料电池价格较高，而单节燃料电池电压较低（0.7V左右），且工作电

4、压大小因负载而定，因此有必要将燃料电池输出电压与负载正常工作电压之间进行合理转换。另一方面，考虑到在燃料电池氢气和空气供给过程中出现的一些扰动会使燃料电池堆的输出电压发生波动，从而母线电压也会产生一定幅度的波动，如果在母线和用电器之间没有抗扰动装置的话，燃料电池轿车上用电器的工作电压可能处于过压或者低压状态，长时间运行的话，会影响所配设备的寿命，这就要求所配降压DC-DC具有较好的抗干扰性能，当负载突然变化时，输出电压能够尽快恢复平衡。　　目前，降压电路有两种类型：隔离类型和非隔离类型。对于隔离类型，电路采用高频逆变+变压器+整流滤波方案，其电路较复杂，体积大，重

5、量大，效率低下，故在燃料电池电动轿车上一般不采用[1]。目前，双向DC-DC的研究很多，武红玉[2]根据电动汽车性能设计的要求，提出一种全桥串联谐振双向DC-DC变换器，虽然能够减小开关损耗，但是相比半桥式DC-DC变换器，其体积和重量都要偏大，变换器的效率也要偏低。近年来，国内外学者对于非隔离类型DC-DC变换器进行了深入的研究，Huang5B等[3]设计了非隔离DC-DC来实现燃料电池电压转换，这样的设计能够很好的转换电压到目标值，但造成了电路结构的复杂，且响应时间势必受到影响。对于控制方法，有传统的PID控制[4]，控制算法简单较容易实现，往往被广泛使用，但

6、其参数的确定多依赖工程经验，调试时间较长。也有研究人员采用智能控制算法，例如模糊控制和智能神经网络控制等，需要完备的控制对象的专家经验[5]，实现手段较复杂。　　从解决质子交换膜燃料电池输出特性不稳定入手，并考虑到DC-DC变换器简单可靠、小型化的研究方向，本文针对车用质子膜燃料电池堆设计了一种新型降压式DC-DC变换器，其主电路采用Buck降压电路，控制电路采用开关控制器。　　1降压DC-DC变换器　　由于本文所设计的燃料电池轿车上直流总线电压被设计为375V，而轿车上的各个电器都是直流电供电，且其工作电压都要低于直流总线电压，因此需要配备降压DC-DC变换器。

7、本文所设计的降压DC-DC变换器主电路采用非隔离型的Buck电路，其控制电路采用开关控制器控制。　　1.1降压DC-DC变换器主电路　　1.2降压DC-DC变换器控制电路　　本文设计的降压DC-DC变换器的控制器为开关控制器，其控制原理是控制器中的控制开关根据反馈电压值与设定输出电压值的比较大小来决定控制开关的开闭，进而决定Buck主电路是降压还是保持电压不变，直到输出电压达到设定电压为止。本文设定输出电压值为12V，当燃料电池输出电压高于各电器需求电5压时，DC-DC变换器控制器开始起作用，当变换器输出电压高于设定输出电压时，开关控制器将0信号输入MOSFET场

8、效应晶体管