质子交换膜燃料电池用前级直流变换器及其构建方法
【专利摘要】本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器及其构建方法，前级直流变换器包括：全桥移相单元包括四个开关管，每个桥臂设有两个互补导通的开关管，每一开关管反向并联一个二极管，同时并联一电容，谐振电感与隔直电容串联后耦接在任一桥臂与所述高频变压器之间；高频变压器耦接在全桥移相单元与全桥整流单元之间，用于进行升压调节；全桥整流单元用于将输入的交流信号变换为直流信号；输出侧滤波单元包括一滤波电感以及一滤波电容，滤波电感与滤波电容串联后耦接至全桥整流单元，用于对输出直流电压进行滤波后提供给后级逆变器。本发明根据升压需求通过电压电流双闭环控制实时调节移相角，维持输出电压稳定。
【专利说明】质子交换膜燃料电池用前级直流变换器及其构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及质子交换膜燃料电池设计【技术领域】，特别是涉及一种针对质子交换膜燃料电池发电特性的、基于电压型全桥移相零电压软开关的前级升压直流变换器及其构建方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种清洁高效的分布式电源，在催化剂作用下它能将含氢燃料的化学能直接转化为电能而无需燃烧过程。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membranefuel Cell,简称PEMFC)作为最可能商业化的燃料电池，具有工作温度低、电流密度大、响应速度快等优点，具有广泛的应用前景。PEMFC是一个复杂的电化学系统，它根据负载功率要求实时调节反应气体的流量和压力，当负载波动时，需要外部的装置配合参与调整，使得时间响应常数较慢。而且电化学反应容易受到湿度、温度和压力等外界参数干扰，导致输出电压更易波动，需要电力变换装置在较宽输入范围内稳定电压。另外由于单片燃料电池输出电压较低，负载运行时电压一般在0.6?0.8V左右，电流密度在0.2?lA/cm2左右，所以对中小型PEMFC而言，输出电压一般较低，因此在PEMFC输出电压和用户/电网之间必须有一级是具有升压功能的电力变换装置。现有的燃料电池直流升压模块大部分采用非隔离式Boost拓扑,但非隔离式存在安全方面的问题。
[0003]因此，针对PEMFC输出直流电电压相对较低、并且随着负载的变化而大范围变化的问题，需要在燃料电池的输出电压和直流母线之间提供一种具有升压、稳压功能的高效率电能变换器，隔离并提升电压。
【发明内容】
[0004]本发明的一目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器，采用基于电压型全桥移相零电压软开关、双闭环方式，实现燃料电池的输出电压和直流母线之间的隔离、升压、稳压功能。
[0005]为达到上述目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器，包括:全桥移相单元、高频变压器、全桥整流单元以及输出侧滤波单元；所述全桥移相单元包括四个开关管，每个桥臂设有两个互补导通的开关管，每一开关管反向并联一个二极管，同时并联一电容，谐振电感与隔直电容串联后耦接在任一桥臂与所述高频变压器之间，两个桥臂相应开关管的驱动信号之间相差一个移相角相位，通过调节移相角的大小调节输出电压；所述高频变压器耦接在所述全桥移相单元与全桥整流单元之间，用于进行升压调节；所述全桥整流单元，用于将输入的交流信号变换为直流信号；所述输出侧滤波单元包括一滤波电感以及一滤波电容，所述滤波电感与滤波电容串联后耦接至所述全桥整流单元，用于对输出直流电压进行滤波后提供给后级逆变器。
[0006]本发明的另一目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，采用基于电压型全桥移相零电压软开关、双闭环方式，构建前级直流变换器，实现燃料电池的输出电压和直流母线之间的隔离、升压、稳压功能。
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，包括以下步骤:(1)分析质子交换膜燃料电池的发电动态特性，建立电化学机理模型，以确定升压需求；(2)基于电压型全桥移相单元构建前级直流变换器的拓扑结构；(3)确定前级直流变换器中相应元器件的参数，实现零电压开关；(4)根据所述升压需求，通过电压电流双闭环以及移相脉冲宽度调制控制方式实时调节前级直流变换器的移相角，调节输出电压，并维持输出电压稳定。
[0008]本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器及其构建方法的优点是:通过质子交换膜燃料电池电动态特性，设计基于电压型移相全桥电路的PEMFC升压前级拓扑结构，给出该拓扑必要元器件参数计算方法，实现零电压开关，并完成了电压电流双闭环移相PWM控制。根据PEMFC前级直流变换器升压需求，通过电压电流双闭环控制方法实时调节移相角，维持输出电压稳定，完全符合PEMFC电能转换要求，具有较强的抗负载波动能力和较高的转换效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的电路图；
[0010]图2是本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法的流程图；
[0011]图3是本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的工作原理图；
[0012]图4为本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的仿真设计图；
[0013]图5为图4所示模拟仿真中负载阶跃变化时质子交换膜燃料电池输出电压特性；
[0014]图6为图4所示模拟仿真中控制量移相角实时调节情况；
[0015]图7为图4所示模拟仿真中直流变换器输出电压在负载扰动下的电压输出；
[0016]图8为图4所示模拟仿真中PWM控制量波形；
[0017]图9为图4所示模拟仿真中滞后桥臂Q2开关管的零电压实现情况；
[0018]图10为图4所示模拟仿真中高频变压器原边电压和副边整流电压。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本发明质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法及前级直流变换器进行详细说明。
[0020]参考图1，本发明所述质子交换膜燃料电池用前级直流变换器，包括:全桥移相单元11、高频变压器12、全桥整流单元13以及输出侧滤波单元14。
[0021]所述全桥移相单元11包括四个开关管Q1-Q4，每个桥臂设有两个互补导通的开关管，每一开关管反向并联一个二极管(如图1所不D1-D4),同时并联一电容(如图1所不C1-C4，为相应开关管的寄生电容或外接电容)，谐振电感Lr与隔直电容Cb串联后耦接在任一桥臂与所述高频变压器12之间；本实施方式中，Lr与Cb串联后一端耦接至Q2与Q4之间，另一端耦接至高频变压器12的绕组Np。两个桥臂相应开关管的驱动信号之间相差一个移相角相位，通过调节移相角的大小调节输出电压。
[0022]所述高频变压器12耦接在所述全桥移相单元11与全桥整流单元13之间，用于进行升压调节。如图1所示Tr包括绕组Np以及Ns。[0023]所述全桥整流单元13由四个二极管(Dk1-Dk4)组成，用于将输入的交流信号变换为
直流信号。
[0024]所述输出侧滤波单元14包括一滤波电感Lf以及一滤波电容Cf，Lf与Cf串联后耦接至所述全桥整流单元13，用于对输出直流电压进行滤波后提供给后级逆变器，经逆变后提供给负载RL。
[0025]所述输出侧滤波单元14进一步与所述全桥移相单元11耦接，所述全桥移相单元
11、高频变压器12、全桥整流单元13以及输出侧滤波单元14构成电压电流双闭环，通过电压电流双闭环以及移相脉冲宽度调制控制方式实时调节全桥移相单元11的移相角，从而调节输出电压。
[0026]所述质子交换膜燃料电池用前级直流变换器具有开关管工作期间电压应力、电流应力较小，高频功率变压器的利用率高等优点，适合完成软开关管控制，减少变换器中的开关管损耗提闻转化效率。
[0027]参见图2，本发明所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法的流程图，接下来对该方法所述步骤做详细说明。
[0028]S21:分析质子交换膜燃料电池的发电动态特性，建立电化学机理模型，以确定升压需求。
[0029]为准确分析PEMFC动态运行特性，有必要通过流量平衡、能量平衡角度和电化学经验公式对PEMFC的流量、压力、电压和功率的动态特性进行分析，在时间维上，充分考虑其电化学反应过程，建立用于控制的电化学机理模型，预测出电池的发电动态过程，以确定升压需求。PEMFC是复杂的非线性系统，为简化分析作了一些假设:质子交换膜内水完全饱和，并忽略电池内水对电池性能的影响，电池的压力和温度都是统一分布的。
[0030]采用高压氢气瓶供给燃料，通过流量控制阀调节氢气流量，再经过饱和加湿和加热后送入电池阳极流场。阳极流场内主要充满的是氢气，因此对氢气的流量、压力和温度等特性进行分析就能模拟阳极流场动态特性。
[0031]根据物质流量守恒，阳极流场进出气体与反应的氢气摩尔流量维持动态平衡:
[0032]
【权利要求】
1.一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器，其特征在于，包括:全桥移相单元、高频变压器、全桥整流单元以及输出侧滤波单元； 所述全桥移相单元包括四个开关管，每个桥臂设有两个互补导通的开关管，每一开关管反向并联一个二极管，同时并联一电容，谐振电感与隔直电容串联后耦接在任一桥臂与所述高频变压器之间，两个桥臂相应开关管的驱动信号之间相差一个移相角相位，通过调节移相角的大小调节输出电压； 所述高频变压器耦接在所述全桥移相单元与全桥整流单元之间，用于进行升压调节；所述全桥整流单元，用于将输入的交流信号变换为直流信号； 所述输出侧滤波单元包括一滤波电感以及一滤波电容，所述滤波电感与滤波电容串联后耦接至所述全桥整流单元，用于对输出直流电压进行滤波后提供给后级逆变器。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器，其特征在于，所述输出侧滤波单元进一步与所述全桥移相单元耦接，所述全桥移相单元、高频变压器、全桥整流单元以及输出侧滤波单元构成电压电流双闭环，通过电压电流双闭环以及移相脉冲宽度调制控制方式实时调 节全桥移相单元的移相角，从而调节输出电压。
3.一种质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤: (O分析质子交换膜燃料电池的发电动态特性，建立电化学机理模型，以确定升压需求； (2)基于电压型全桥移相单元构建前级直流变换器的拓扑结构； (3)确定前级直流变换器中相应元器件的参数，实现零电压开关； (4)根据所述升压需求，通过电压电流双闭环以及移相脉冲宽度调制控制方式实时调节前级直流变换器的移相角，调节输出电压，并维持输出电压稳定。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括:通过流量平衡、能量平衡角度和电化学经验公式对质子交换膜燃料电池的流量、压力、电压和功率的动态特性进行分析，建立电化学机理模型。
5.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，其特征在于，所述全桥移相单元包括四个开关管，每个桥臂设有两个互补导通的开关管，每一开关管反向并联一个二极管，同时并联一电容；谐振电感与隔直电容串联后耦接在任一桥臂与一高频变压器之间；两个桥臂相应开关管的驱动信号之间相差一个移相角相位，通过调节移相角的大小调节输出电压。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，其特征在于，所述前级直流变换器的拓扑结构中进一步包括:一高频变压器、一全桥整流单元以及一输出侧滤波单元；所述高频变压器耦接在所述全桥移相单元与全桥整流单元之间，用于进行升压调节； 所述全桥整流单元，用于将输入的交流信号变换为直流信号； 所述输出侧滤波单元包括一滤波电感以及一滤波电容，所述滤波电感与滤波电容串联后耦接至所述全桥整流单元，用于对输出直流电压进行滤波。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池用前级直流变换器的构建方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括:(41)前级直流变换器输出目标电压与输出电压检测反馈值比较后产生电压误差信号; (42)电压误差信号经过电压调节计算输出构成电压外环，电压外环的输出作为电流内环参考电流； (43)参考电流与输出电流检测反馈值比较，并经过电流调节计算输出，其输出作为全桥移相单元的移相角信号； (44)移相角信号经过移相脉冲宽度调制和隔离驱动后，控制全桥移相单元中开关管状态，从而调 节输出电压。
【文档编号】H02M3/335GK103944395SQ201410135447
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】胡鹏, 刘波, 石瑛, 蒋赢, 张海燕 申请人:上海电机学院