一种用于燃料电池车辆应用的交错升压/降压转换器外文翻译资料

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一种用于燃料电池车辆应用的交错升压/降压转换器

摘要：燃料电池作为车辆中绿色能源的最有希望的候选者之一已受到相当大的关注。燃料电池的电压根据操作条件而广泛变化。此外，应当根据一些能量管理策略来控制燃料电池在车辆功率中的输出功率。由于这些原因，在燃料电池车辆应用中，燃料电池必须通过DC / DC转换器与其它部件相接。提出了一种用于燃料电池车辆应用的升压/降压转换器，其在燃料电池电压低于或高于高压直流总线的输出电压时有效地以升压或降压模式操作在本文中。为了减小电流纹波，交错电路结构用于所提出的转换器。用于燃料电池电流控制的比例 - 积分调节器通过数字信号处理器实现，以提高转换器的可靠性和灵活性。使用平均电流方法为转换器实现升压和降压模式之间的平滑转换。给出了转换器的工作原理和理论分析。提供原型的实验结果以评估所提出的方案的性能。

关键词：燃料电池 燃料电池车辆升压/降压转换器效率 交织技术

引言

燃料电池（FC）目前被认为是绿色发电的有希望的候选者。特别地，它可以通过其快速启动，低工作温度，高效率，高比功率，高比能，低噪声和无排放表征的质子交换膜燃料电池（PEMFC）变得竞争性作为车辆应用的电源[1]。为了降低成本并提高PEMFC的耐久性，通过使用PEMFC和其他能量存储系统（ESS），例如锂离子电池系统或超级电容器系统，电源的杂交是一种有希望的解决方案[2 ]。已经研究了FC /电池[3—5]，FC /超电容器[6]和FC /电池/超电容器[7]车辆的动力系配置的控制策略。由于FC端子电压取决于工作条件的广泛变化，需要DC / DC转换器作为FC和燃料电池混合动力系中的其它部件之间的接口电路。转换器还可以根据能量管理策略控制输出功率，从而在电源之间产生能量或功率分配，这将使整个动力系统的操作变得有效率[2,5,8]。

车辆的典型燃料电池动力系，如图1所示。 1 [4,5]，由燃料电池，DC / DC转换器，ESS（这种情况下的电池）和驱动系统组成。 与其他组件不同，燃料电池通过DC / DC转换器间接连接到高压直流总线（HV DC总线），DC / DC转换器用作功率调节以匹配和稳定HV DC总线电压，因此输入电压 DC / DC转换器的输出电压等于燃料电池的输出电压，并且DC / DC转换器的输出电压等于HV DC总线的输出电压（即，电池的电压）。 二阶低通滤波器（Lfc，Cfc）用于对在转换器输入处产生的高频纹波进行滤波，以使FC电流纹波变得几乎可忽略，这有助于提高FC耐久性。 此外，二极管Dfc用于保护FC免受转换器或负载的故障[4,9]。

图1 车辆的典型燃料电池动力系统

一般来说，DC / DC转换器分为三类：升压，降压和升压/降压，取决于FC电压和HV DC总线电压的差异[10,11]。图2示出了根据FC电压和HV DC总线电压选择转换器类别。 当HV DC BUS电压范围在FC电压范围内时，需要升压/降压转换器。 这些转换器不仅能够将宽FC电压转换为期望值，而且还具有用于车辆的附加优点，例如高功率密度，高效率，高可靠性等。 对于具有多于两个电源的复杂动力系，电源和负载可以通过多端口转器连接，这可以被看作是多个双端口转换器的组合[13]。

图2 DC / DC转换器的选择

具有非隔离单开关电路结构的升压和降压转换器作为燃料电池车辆动力系统的基本升压转换器和降压转换器可以在许多出版物中找到[14e18]。虽然存在若干非隔离单开关升压/降压转换器，例如Sepic，Cuk，Buck-Boost和Zeta，但它们不适合用于燃料电池车辆应用，因为对高功率和宽范围的FC电压[19]。隔离变换器可以轻松地执行升压/降压功能，但是由于变压器的存在，它们不能实现高效率[20,21]。基于Cuk的降压 - 升压转换器预先在Ref。 [22]，转换器的主要缺点是必须通过电容器传输能量，这限制了更高的功率传输。此外，转换器由许多元件组成，这可能影响转换器的可靠性。 Buck和半桥隔离转换器的组合转换器报告于参考文献中。 [23]，组合转换器可以在升压和降压模式之间平滑地转换，因为降压模块和半桥模块的完全去耦。然而，转换器拓扑非常复杂，并且半桥部分不能以高效率操作。降压 - 升压级联转换器仅具有一个电感器[24]，或具有两个依赖[25]或耦合电感器[26]的升压 - 降压级联转换器，是具有高效率和低组件应力的流行选择。在升压/降压转换期间可能发生振荡或慢动态响应，因为级联结构在前级和后级电路之间具有耦合特征。在参考注释[26]中，采用阻尼网络来改善级联转换器的动态性能，但复杂的结构导致成本增加和效率降低。

用于燃料电池车辆应用的转换器的另一个问题是由转换器或负载产生的燃料电池电流中的高频纹波分量，其可以降低膜的耐久性并降低电池组输出功率[27]。 在FC和转换器之间采用低通滤波器不足以过滤高频纹波。对于大多数非交错转换器，功率器件的开关频率的增加有助于减轻电流纹波，但是较高的开关频率可 增加开关损耗。交错技术可用于显示降低燃料电池纹波电流。该技术对于高功率转换器具有几个优点。每个转换器的功率损耗减小，因为燃料电池输出功率由多个转换器处理 。此外，对于每个转换器，使用具有高纹波电流的较小电感器导致在燃料电池电流中更少的失真波形和更好的瞬态响应[28]。还参考。[29,30] 表明，与非交错转换器相比，交错转换器在电源开关故障的情况下更可靠。

通过使用应用在多相交错转换器的控制系统中的模拟装置，可能难以满足燃料电池车辆中的高可靠性和数据通信的需要。 设计用于电力电子应用的数字信号处理器（DSP）对于燃料电池车辆动力系中的DC / DC转换器的控制核心是更好的选择，因为其能够在最小量的时间和话费最少量精力的情况下内执行复杂的数学计算[9]。 此外，数字控制器是灵活和可靠的，因为实现这一任务仅涉及软件指令，并且独立于转换器结构和设备[31]。

在本文中，提出了一种新颖的交错非隔离转换器来满足升压和降压的要求。 所提出的转换器的拓扑结构包括常规降压模块和浮动升压模块。 然而，不同于级联连接，两个模块的输入端子是并联的，并且输出端子是类似的和串联的。 所提出的变换器采用两相交叉结构以减少燃料电池电流中的纹波分量。 为了控制燃料电池输出功率，使用基于DSP的比例积分（PI）控制器来控制转换器的输入电流。 使用平均电流方法来控制转换器，实现降压和升压模式之间的平滑转换。

本文组织如下：拓扑和操作原理部分提出了所提出的转换器的拓扑。 然后，所提出的转换器的控制部分给出用于升压和降压模式的脉冲宽度调制（PWM）信号生成方法。 标题为实验验证部分的原型的实验结果说明了转换器的性能。 最后，结论部分提出了从这项研究中得出的结论。

拓扑和操作原理

电路结构和基本关系

所提出的交错的升压/降压转换器的电路结构如图1所示。 该转换器包括两个模块，即降压和升压模块。 降压模块由两个常规的降压部分组成，它们通过交错连接耦合。 升压模块也是包括两个浮动升压部分的两相交错结构。 附加电容器可以与输入和输出端口并联连接以减小电压信号的纹波。 假设每个模块中的功率开关的占空比相同，则容易定义图1中提出的转换器的输出和输入电压的关系如图3所示：

这里Vout：转换器的输入电压；Vin：转换器的输出电压。

图3 交错转换器的电路结构

Dbuck：降压模块电源开关的占空比。

Dboost：升压模块电源开关的占空比。

升压或降压功能可以通过分配降压模块（S1和S2）的占空比Dbuck和升压模块（S3和S4）的占空比Dboost来实现。 Dbuck和Dboost的选择不仅在于转换器的输入和输出电压之间的关系，而且还取决于转换器的工作效率。 对于常规降压转换器，转换器的工作效率将随着功率开关的占空比的增加而增加。 相反，浮动升压转换器。 因此，当功率开关S1和S2永久接通时，达到升压模式，S3和S4以PWM操作。 类似地，在降压模式下，S3和S4永久关断，S1和S2工作在PWM模式。 然后，表达式（1）也可以表示如下：

稳态操作和分析

为了简单起见，对所提出的连续导通模式（CCM）中的转换器操作原理的稳态分析做出以下假设。 电源开关S1eS4和二极管D1eD4是理想开关，这意味着这些器件工作时没有转换时间和传导损耗。 电感器L1eL4和电容器C1eC4也是没有寄生电阻的理想元件。 忽略电路中的路径传输损耗。

升压模式和降压模式的转换器的稳态操作波形如图1所示。 标记为S1，S2，S3和S4的迹线分别是S1，S2，S3和S4的逻辑PWM激活信号。 从图。 如图4所示，可以观察到，通过应用交织技术可以减小i in中的波纹，特别是降压模式中的波纹。 期望波纹随着交织相位数的增加以及通过在转换器输入或输出端口处增加电容器而进一步减小。

如图1所示，转换器的负载是根据驱动条件功率频繁变化的驱动系统。 ESS也可以成为转换器在充电时的负载。 为了简单起见，转换器的负载由电阻器R代表。

如图4所示，在升压或降压模式下的一个周期期间存在4个时间间隔。 转换器的状态空间模型可以写为：

在（4）中，A是状态矩阵，B是输入矩阵。 表1中示出了所有时间间隔的A和B，并且可以通过列出用于描述电感器电流和电容器电压的微分方程来获得。 在表1中，还示出了在一个周期TS期间的每个时间间隔的时间部分。 从表1可以看出，升压模块和降压模块完全解耦。 在一个开关周期对这些差分方程应用空间状态平均技术[32]，更容易获得稳定状态下的输出和输入电压之间的关系，这与（1）相同。

图 4 转换器的稳态操作波形

转换器的控制

控制模式和控制变量

通常，通过调节PWM占空比来控制DC / DC转换器的输出电压。 然而，用作受控变量的输入或输出电流更适合于控制图1所示的典型车辆动力系中的燃料电池输出功率。 1 [33]。 当通过控制DC / DC转换器的输出电流来控制从燃料电池汲取的功率时，功率可以根据取决于牵引功率的HV DC总线电压和基于驱动条件的其他车辆负载而改变 。 然而，由于转换器的效率随着输出电流的变化而变化，因此不能通过该控制模式精确地控制燃料电池的输出功率。 此外，它减慢了转换器的动态响应。 反馈功率由HV DC总线电压和转换器的实际输出电流获取。

对于燃料电池系统，输出电压或电流可以被视为根据正常极化行为的输出功率的单调函数。 与燃料电池的输出电压相比，燃料电池的输出电流，即转换器的输入电流随着燃料电池的输出功率变化而剧烈变化。 转换器的输入电流用作用于控制纸张中的燃料电池的输出功率的控制变量。 转换器的输入电流可以表示为：

小信号模型和传递函数

基于状态空间平均方法和状态空间方程。（4）中，提出的转换器在升压和降压模式下的小信号模型分别给出为（7）和（8）。 其中，L3 // L4表示并联的L3和L4的总电感，L1 // L2表示L1和L2的并联的总电感。

然后，用于升压和降压模式的电感器电流传递函数的单独占空比获得如下：

如观察到的，降压模块中的占空比和功率开关电流之间的传递函数可以如（11）

控制系统方案

使用（9）和（11）中给出的电流占空比的传递函数，可以使用平均电流方法设计控制回路。 这里，平均电流方法意味着反馈电流是通过过采样或低通滤波技术的一个或几个周期的平均电流。 平均电流控制允许控制转换器中几乎任何电流的可能性：电感器，开关或二极管电流[34]。 注意，开关电流或二极管电流具有脉冲形状，而电感器电流波形相对平滑。 因此，电感电流的低通滤波器比过滤开关电流所需要的电流小得多。低通滤波器的传递函数可以写作：

其中omega;c是截止频率。

根据（6），输入电流控制的问题可以通过控制一个降压电路中的开关电流来解决（iS1和iS2）和一个升压电路中的电感电流（iL3和L4）。 以确保两者中的平均电流相等的条件和每个模块的相位，相同的参考电流iS1thorn;iL3或iS iL4用于每个电流环，可以表示为：

Iloop_ref：每个电流回路的参考电流；

Iin_ref：转换器的参考输入电流；

iouts：转换器输出电流的感测值。

图5 转换器的控制框图

图5示出了用于所提出的控制配置转换器。 如观察到的，四个基本电路被分开两对。S1和S3由一个电流控制来控制循环，S2和S4由另一个控制。 平均使用PI控制器控制S1，S2，L3和L4的电流。 如图5所示，PI控制器Hi13（s）和Hi24（s）可以表示为：

KiS1（s），KiS2（s），KiL3（s），KiL4（s）和Kiout（s）表示拥有相同形式的（12）具有不同的截止频率。

等式 （7），（8）和（11）表示输入电压扰动对电感电流（iL3，iL4）和开关电流有影响（iD1，iD2）。 对于图1所示的燃料电池动力系。 1，输入转换器的电压等于燃料电池的输出电压系统，受内部温度，湿度，氢气压力等因素。 这些pa-参数可以削弱电流控制器的性能的转换器。 前馈控制用于解决问题图5中通过引入前馈项Kff / vin [23]。 这个长期增强了控制器的抗干扰能力方差和改善动态响应。

如图5所示，S1，S2，S3，S4的占空比可写为：

其中，u1和u2是电流控制器的输出。 考虑到电路的寄生参数和工作效率，升压电路的占空比d3和d4不应过高，尽管图 5中的极限为1。

实验验证

原型描述

开发了所提出的转换器的原型，其用于燃料

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