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Sakda Somkun^*, Chatchai Sirisamphanwong, Sukruedee Sukchai

可再生能源技术学院，纳瑞宣大学，泰国彭世洛学院

文章资讯

文章历史：

2015年2月6日收到 2015年3月12日 收到修订版 2015年3月16接受文章2015年4月8日 文章线上可用

摘要

由于低输入纹波电流，多相交叉式升压DC-DC转换器通常用作燃料电池的功率调节器。本文提出了由单片机控制DSP，以提高两相交错式升压DC DC转换器的可靠性和灵活性的分析和设计。输出电压控制的PI调节器是由扩展对称最佳方法调谐到最佳的燃料电池的欧姆区域与整个燃料电池的电压范围为45，保证相位裕度操作。软起动的应用，是有效的设定点加权技术。对切换和采样时间延迟的影响进行了分析和补偿。用质子交换膜燃料电池组连接在1千瓦，120-V的原型转换器的实验结果与在Matlab / Simulink模拟结果基本一致。基于DSP的燃料电池变换器具有用于进一步发展为紧凑燃料电池发电机或燃料电池电动车和嵌入式在线诊断和容错操作的潜力。

版权copy;2015年，氢能出版物，LLC。发布时间由Elsevier有限公司保留所有权利。

关键词：燃料电池 直流—直流交换器 氢能 可再生能源 数字化控制

文章介绍

气候变化和全球变暖是全世界共同关注的。化石燃料的使用是全球气候变暖的主要原因，采用更新的能源，势在必行[1]。然而，重要的可再生能源，例如风能，太阳能，实际是断断续续的[2]。生产和使用供给过剩电解水制氢是克服可再生能源的的存储间断[2-4]的措施。燃料电池通常用于将氢能转化为电能，这可以用于分布式发电的交流网络或用于电动车辆的使用。这些燃料电池的特点是生产效率高，维护成本低，低可听噪声，以及零排放[5]

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池,或者称为质子交换膜燃料电池, 由于结构紧凑、效率高、工作温度低,可在室温下启动，在几种燃料电池类型引起了公众的关注。

质子交换膜燃料电池堆在空载条件提供了一个不受管制的低直流电压，大约1 V/格。升压或升压DC-DC变换器通常被用作燃料电池的功率调节器，燃料电池为负载提高足够高的电压并且防止堆栈超载[6-9]。由电源转换器产生的燃料电池电流的低和高频分量已被研究多年[10-15]因为它取消率堆输出功率[10-13]，降低了膜[14]的耐用性，并增加了燃料消耗[ 15]。并联和功率变换器的交错开关降低了燃料电池的纹波电流和提高输出功率[16-21]。

多相交错式升压DC-DC转换器，用于燃料电池的应用的控制由一个内部快速电流控制环和一个脉冲宽度调制(PWM)并联电路和另一外缓慢电压控制回路。这需要大量的模拟部件的[16-18]，这降低了系统的可靠性。近年来，由于在CMOS技术的下降比例[22-24]，数字式控制已应用于DC-DC电源转换器。在数字控制系统中较小的元件数量提高了功率转换器的可靠性。设计用于功率电子应用的现代数字信号处理器（DSP）具有高性能计算机，内置模拟 - 数字转换器（ADC）和PWM，使得开发出的单芯片上的复杂的电力变换器的控制方案成为可能[23]。此外，灵活性和适应性是数字控制[24]的其它重要益处。

本文阐述了一种基于DSP交叉DC-DC转换器的分析和设计数字控制和较低的燃料电池纹波电流的利益结合起来。该DC-DC变换器被构造为一个1千瓦、43.2 V PEM燃料电池堆[25]的电力调节器，，以产生120V的输出电压。本文开始于系统的描述，其次是燃料电池堆的建模和电力转换器。广义上的波纹多相交叉式升压DC DC转换器，推导出的是电流和输出纹波电压。电感电流和输出电压控制器通过极点配置设计和扩展对称最佳方法。在DSP实施中，对性能的提高和燃料电池的进一步的应用的实际问题进行了讨论。

系统配置

图.1展示出72细胞的PEM燃料电池堆，具有N相交叉式升压DC-DC转换器连接。地平线模型的H-1000燃料电池堆，指定为具有输出电压范围从43.2至67.8 V，43.2伏，23.5 A [25]时具有最大电功率为1015.2瓦特。堆栈是一个开放式阴极结构，其中，空气流通过由鼓风机阴极通道以确保电化学反应足够的氧气（O 2），并且还用于通过热对流[26]冷却。超高纯度（99.999％）干燥的氢气以0.5plusmn;0.05巴（衡量压）调节并供给到在死端模式下，其中，供给阀连续地打开和清洗阀阳极通道每10秒被周期性地开启以便除去在阳极侧积累惰性气体。

升压DC-DC变换器的并联连接允许总电感器芯体积约1/ N 2的因子和交错的开关技术，有助于减少以及电感器和输出电容器的尺寸[21]。在这项工作中的DC-DC转换器的设计目标是为了具有标称输出电压的120伏和在连续导通模式（CCM）操作的转换器，以便绘制小于0.94A，4％的额定电流[10]。这种系统的典型负载可以是用于小型发电或逆变器的燃料电池电动车辆其额定电流[10]4％的转换器。这种系统的典型负载可以是用于小型发电或逆变器的燃料电池电动车辆.

图.1-与N相连接的PEM燃料电池升压型DC DC转换器。

系统建模

PEM燃料电池的建模

覆盖电化学为在电极的电化学反应，对反应物质量运输流体力学，热力学和堆温度冷却的燃料电池系统的交易的多物理结构域[27]精确建模。这些都影响叠层的端电压和性能。然而，在这项工作中，只有用于燃料电池堆的电压和DC-DC转换器之间的相互作用的栈的电瞬态特性的观测是有趣的。由于基于该PEM燃料电池系统的等效电路，仅在图.2中所示的单一的电动态堆的单工电池进行了模拟.本模型是基于以下假设[28]：

1. 一维模型。
2. 恒堆温度。
3. 忽略各个单元的温度6变化。
4. 气道中的气体挥发。

图.2-PEM燃料电池的等效电路.

5）气体流动通道恒定压力。

6）聚合物膜平衡水含量。

7）从单个电池集总栈参数。

每个电池中的稳态条件下的电压，由可逆电压（），也称为Nerst电压，并且包括相关的损失，欧姆损耗，以及最大传输损失 [5]，下面给出：

(1)

Nerst电压用在给定的温度和压力下的近似可逆电压。如果该操作温度低于100℃和反应产物是水是液态，在25℃的基准温度的Nerst电压。然后简化为

(2)

其中T是电池温度，和分别是氢气和氧气的分压[28]。

欧姆损耗是由于电极的电阻和在电解质中，水含量[5,28]的离子流的主要阻力的影响。在膜湿度的平衡，欧姆电阻，可以被假设为恒定和欧姆电压与燃料电池电流的直链，通过给出

(3)

在部分气压下，由于大量消耗在附加的电压降的高电流导致反应气体的由于大众运输损失或浓度的损失，氢分量和氧分压降低。这种现象可以通过经验模型与m参数来描述和n如下[5]

(4)

电极中的活化损失，其取决于燃料电池和电极材料的种类。对于质子交换膜燃料电池，在阳极的反应是相当快速的，并且可以是忽略不计的[5]。因此，仅在阴极的过电压可通过由下式给出的Tafel方程来近似给出

（5）

其中，R是通用气体常数，F是法拉第常数，a是电荷转移系数，是描述电极的活性的交流电流。实际上，有少量流过高分子电解质电子的，所谓的内部的电流和一些燃料从阳极到阴极迁移，而不会产生有用的电流，即所谓的燃料交叉。这两种效应可通过参数表示。如果燃料电池的温度保持恒定，并且包括内部电流和燃料交叉的过度的影响来表示的，在中，塔菲尔方程式可以重新写成

(6)

其中A是Tafel斜率

双层电容，CDL是存储在所述电解质和电极之间的边界的电荷。当燃料电池电流的变化，在活化过电压缓慢增加/朝向中由塔菲尔方程给出的稳态值下降（6）。因此，过电压的瞬时激活从图.2的等效电路来确定。由参考给出 [29]。

(7)

其中等效电阻激活，从下述公式计算

(8)

最后，燃料电池堆的电压，由下式子得到

（9）

其中，是堆栈中电池的数量。

燃料电池模型在图3表1中使用的参数模拟在Matlab / Simulink与指定的极化曲线的造型进行比较，并测量的和模拟的实际极化曲线。栈在43.2伏传递600瓦的最大功率，这被认为是由于在堆栈[30]所述的降解。退化特征没有进入最大传输损失，因为相对于控制器的工作范围，堆栈电压太低了。因此，最大传输损失被从模型中移除。图. 4比较所测量的和模拟的瞬态特性，其中该双层电容是由电流中断技术来确定。燃料电池电流的测量和模拟的燃料电池电压之间的差是由于燃料电池突然移除，即随燃料电池电流[29]的变化而变化。然而，当连接到升压DC -DC转换器，其中，在燃料电池电流的变化是由变换器控制系统限制这种情况不明显。

交叉式升压DC DC转换器建模

图5示出一个在CCM[31]中单一的模块升压DC-DC转换器的基本操作。当电源开关在时关闭（），电感在其磁心燃料电池储存能量

图.3 - H-1000的PEM燃料电池堆的静态极化曲线。

当输出电容通过负载放电。一旦电源开关在期间打开（），在电感器中存储的能量，以及燃料电池的能量，通过输出电容器二极管充电，。因此，对于N相升压型DC-DC变换器的电感电流可以表示为如下

(10)

其中，hellip;hellip;和，hellip;hellip;是输入电感器和其相应的绕组电阻，（t），（（t）hellip;hellip;（t）的值isin;{0,1}，是电源开关的切换功能。忽略了输出电容器的等效串联电阻，其输出电压由下式给出

(11)

其中（t）是二极管电流。这种模式被称为切换电路模型[32]，将其在Matlab / Simulink实现，并与前一节中描述的燃料电池动力模型连接。

图.4 -当在燃料电池的电流从0变化到5Aj检测的H-1000的PEM燃料电池堆的动态特性，反之亦然

如果脉动分量被忽略，切换功能，当 （t）等于10和11时，在一个开关周期内值被平均值取代的，如下定义

(12)

其中， 是连续的占空比, 是稳态占空比，是周围的工作点的小AC分量。这产生平均电路模型，用于设计所述控制系统和稳态分析。因此，在稳定状态条件下，电压转换比由下式给出

(13)

等式（13）表明该输入电感应具有用于电路模块之间相等的电流分担相同的结构。如果电感绕组电阻可以忽略不计，并且,hellip; D,电压转换变化

(14)

这是传统的升压DC-DC转换器[31]。

纹波成分的分析

图.6详细分析了2相升压DC-DC转换器在CCM操作的关键波形。假设电感,它们的绕组电阻可以忽略不计。开关功能，切换功能， 延迟于 = 或180度。燃料电池的电流 的等于电感电流的总和。因此，燃料电池纹波电流，从参考文献来确定[15,20]。

(15)

图.6 2相升压DC DC转换器的CCM工作的稳态波形：（a）D 0.5,(b)D 0.5

等式（15）用于在所述时间间隔 推导，当0 D 0.5,0.5lt;Dlt;1.0时图6中的 。这模块用2个子功能产生如占空比D的分段函数。在相邻的子功能之间的边界（D= 0.5），=0，因为 （t）是对（t）的互补性。对N相升压变换器施加类似的分析，一般形式可以表示为

(16)

其中，k =1,2，...，N，限定的子功能。因而，当D = K / N，=0时，可由下式给出的最大值

at (17)

输出电压纹波 可在时间间隔中直接分析， 图6中 使用（11）中的定义。在图6（a）当,总是有从二极管通过输出电容和负载充电传入电流。因此， 是比较低的。另一方面, 在图6（b）当， 是由负载电流不从二极管输入的电流，所有的MOSFET被接通时排出。因此，大纹

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