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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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用于燃料电池汽车的新型交错双向无缓冲软开关电流馈电全桥电压加倍器

V Prabakaran1, S Venkatasubramaniyan2先生
  1. PG学者，Sri Sairam工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度
  2. 印度泰米尔纳德邦钦奈斯里塞拉姆工程学院教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

首先，本文还提出了一种新的二次调制技术，利用零电流整流自然箝位一次侧开关上的电压。因此，它消除了外部有源箝位电路或无源缓冲器来吸收开关关断电压峰值的必要性，这是电流馈电转换器的主要挑战。实现了一次侧器件零电流开关和二次侧器件零电压开关，大大降低了开关损耗。单电池采用交错设计，提高功率处理能力，具有输入电流纹波小、无源器件尺寸小、设备额定电压和额定电流小、电流共流造成的传导损失小、热分布好等优点。利用MATLAB/ SIMULINK软件对不同直流源的15级阶跃电压进行了多电平逆变器仿真燃料单元，交错升压变换器，载波型PWM。



关键字
燃料电池，交错升压变换器，载波PWM。

介绍
与传统内燃机汽车相比，交通运输电气化具有排放更低、车辆性能更好、燃油经济性更高的特点，已成为一个明显的发展趋势。在过去的几十年里，电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车(fcv)是取代传统IC汽车的新兴交通工具，使用三相电机进行推进。燃料电池汽车具有清洁(零排放)、行驶里程满意、加油时间短、高效、高可靠性等优点，在交通运输领域具有巨大潜力。几个主要的汽车行业正在制造和测试他们的燃料电池汽车。燃料电池组将储存在车上的氢气与空气中的氧气发生氧化反应后转化为电能来驱动电动机。只要保持燃料供应的连续性，电动机就可以安静、平稳、高效地推动车辆，而且需要较少的维护。然而，由于fcv内部电化学、机械和热动力特性较慢，其对负载变化的动态响应较慢，因此需要储能来提供快速动力。通常采用电池或超级电容器等辅助储能系统(ESS)进行冷启动，吸收再生制动能量，并在瞬态运行中获得良好的性能。高功率双向dc/dc转换器需要应用于电池充电放电，不间断电源系统(ups)，替代能源系统和混合动力电动汽车。到目前为止，在这些应用领域中只有有限的结果，主要原因可能是许多应用领域的羽翼未丰。 Most of the existing high power bidirectional dc/dc converters fall into the generic circuit topology illustrated in, which is characterized by a currentfed high-frequency (HF) inverter/rectifier on one side, preferably the lower voltage side, of the HF isolation transformer Tr, and a voltage-fed HF rectifier inverter sub topology on the other side. Each of these sub topologies can be a full bridge, a half-bridge or a push-pull circuit, or their variations. The current-fed half-bridge circuit is sometimes also referred as L-type boost circuit, or current-doublers.

燃料电池操作
燃料电池基本上分别在阳极和阴极使用氢燃料和空气。在输出处产生低压直流，通过合适的电力电子DC/DC或DC/AC转换器对其进行处理，应用于电机。基本上，电机输出是用于驱动车辆车轮的机械输出。从燃料电池发电有三个主要步骤。第一步是要达到可用氢气的纯度。这是在燃料处理器的帮助下完成的。一种合适的碳氢化合物燃料被送入燃料处理器，反过来，在它的输出时会产生一种富氢气体。然后，这种富氢气体被输送到燃料电池的阳极电极。通过燃料电池产生的直流电压构成了功率处理单元的第二阶段。最后，电源输出需要经过适当的处理，这是通过适当的电源调节器来完成的。 Ideally, the power conditioner must have minimal losses leading to a higher efficiency. Power conditioning efficiencies can typically be higher than 80%. As forced to renewable energy systems with various sources becomes greater than before, there is a supreme need for integrated power converters that are capable of interfacing, concurrently, controlling several power terminals with low cost and compact structure. Meanwhile, due to the intermittent nature of renewable sources, a battery backup is normally required when the ac mains is not available.
燃料电池是通过电化学过程将化学能量直接转化为电能的。低压直流电源是以氢气或天然气为燃料生产的。它可以被定义为一种电化学装置，用于将化学反应中自由能变化的部分连续转换为能量转换。它与蓄电池的不同之处在于，它在活性电极区域连续更换燃料和氧化剂，不需要充电。
燃料电池是一种将化学能转化为电能的能量转换器。就PEMFC而言，它通过电化学过程将氧和氢直接转化为电、热和水。
燃料电池利用电化学反应，而不是燃烧(燃烧燃料)来产生电力。这个过程与电解相反。在电解过程中，电流的作用将水分解为氢和氧，而在简单的燃料电池中，这两种气体可以通过电化学结合产生电、热和水。在实际操作中，工艺更为复杂，每种燃料电池都有其特性、工作温度、材料和流量。它们的共同点是电力效率高，基本反应不燃烧，以及清洁的废气流。
固定燃料电池燃料电池需要H2作为燃料，一些燃料电池如熔融碳酸盐(MCFC)和固体氧化物(SOFC)也可以利用一氧化碳(CO)。氢可以直接供应给燃料电池，也可以从其他燃料来源如天然气、甲醇、丙烷、生物燃料或非碳化合物中生产。燃料处理器或电解液(见下图)可用于向燃料电池提供现场氢气。

项目运作情况
说明了燃料电池汽车的典型结构，燃料电池堆将存储在车上的氢气与空气中的氧气反应后，即氧化，转化为电能来驱动电动机。只要保持燃料供应的连续性，电动机就可以安静、平稳、高效地推动车辆，而且需要较少的维护。然而，由于fcv内部电化学、机械和热动力特性较慢，其对负载变化的动态响应较慢，因此需要储能来提供快速动力。通常采用电池或超级电容器等辅助储能系统(ESS)进行冷启动，吸收再生制动能量，并在瞬态运行中获得良好的性能。如图中典型燃料电池动力推进系统的功能图所示，燃料电池连接到高压直流母线作为主要动力源。采用双向dc/dc变换器将辅助电源ESS与高压直流母线连接。该dc/dc变换器在主电源和辅助电源的协调中起着至关重要的作用，需要满足以下要求:
1)高升压比，将电池低端电压提升至可变高压燃料电池直流母线(150 - 300v);
2)双向潮流。变换器应能在冷启动和过渡运行时正向供能，在再生制动时反向吸收能量;
3)功率处理功率大;
4)高频(HF)操作，以获得紧凑、轻量化、高功率密度和低成本的系统;
5)效率高。这是获得有效利用能源和减少热设计的一般要求。
文献中已经提出了几种用于FCV的双向dc/dc变换器。电压馈电变换器存在一些局限性，即输入处脉动电流大，软开关范围有限，整流二极管振铃，占空比损耗[20]，以及在高压放大和大输入电流应用中效率相对较低。与电压馈电转换器相比，电流馈电转换器已被证明是这种应用的合适选择。一种非常流行的拓扑结构是带高频变压器的电流馈电双有源桥式变换器。然而，这种转换器的主要缺点是在设备关断时由于能量存储在泄漏电感中而产生的高电压尖峰。采用RCD缓冲器电路来限制电压超调。
将类似的方法应用于无损缓冲器电路，以降低开关的电压应力。采用有源箝位缓冲电路，由有源开关和电容组成，对器件电压进行箝位，同时实现ZV ZCS。但存在电流应力大、轻负荷时循环电流大、热问题等缺点。本文提出了一种基于二次调制的新型交错软开关双向无缓冲电流馈电全桥倍压器，如图3所示。所提出的变换器由两个交错单元组成，其中电流馈电全桥开关并联在低压侧，半桥电压加倍器串联在高压侧。对于这种应用，在单个电池上采用交错方法(多电池)以增加功率处理能力，同时实现高效率和降低热需求。选择电压加倍器或半桥以减少开关数量、变压器匝数比和二次侧设备的额定电压。

Dc / Dc交错电流馈电全桥逆变器
在本节中，用ZCS概念解释了稳态运行和分析。主侧对角开关对(S1-S4、S2-S3、S5-S8、S6-S7)的下电前，主侧另一对开关需要上电。反射输出电压VO /4n出现在变压器一次电压上。它将电流从一个开关对转移到另一个开关对，导致通过一个开关对的电流上升，而另一个开关对的电流下降到零。随后，跨越开关对的主体二极管开始导电，其门控信号被移除，导致ZCS关闭设备。然后，器件电压上升，并在反射输出电压处被夹紧。为了研究操作分析的简洁性，对转炉的操作分析做如下假设:
1)升压电感L1和L2足够大，以保持恒定的电流通过它们。输出电容器Co1, Co2, Co3和Co4足够大，以保持它们之间的恒定电压;
2)假设所有组件都是理想的;
3)串联电感Llk1和Llk2包括高频变压器的泄漏电感;
4)变压器的磁化电感无限大。稳态工作波形如图所示，Cell 1的主开关对S1-S4和S2-S3操作时，门控信号相移180◦，占空比应保持在50%以上。Cell-2中的开关对S5-S8和S6-S7也是如此。开关对S1-S4和S5-S8的门控信号相位差为90◦。在一个四分之一的周期内，转换器在不同的时间间隔内的运行借助图中所示的等效电路来解释。对于HF周期的其余部分，间隔以相同的顺序与其他对称设备进行重复，以完成完整的HF周期。
基于燃料电池的双向dc / dc变换器仿真如图6所示，使用MAT lab simulink对所提模型进行了开环仿真。采用脉宽调制来降低谐波，提高效率。仿真结果如图7a所示。燃料电池的输入直流电压和交直流负载电压如图7b所示。分别。在交错升压配置的帮助下，输出电压与输入直流相比被升压。

基于燃料电池的交错升压变换器仿真

双向dc / dc变换器

燃料电池输出电压

双向dc / dc变换器输出电压

三相感应电机输出结果

并
该变换器在输出功率变化较大的情况下保持一次器件的ZCS关断和二次器件的ZVS开断。主器件的导通损耗也很低。因此，保持所有设备的软开关可大大降低开关损耗，并允许转换器的更高开关频率操作，以实现更紧凑和更高的功率密度系统。所提出的调制技术通过零电流换相自然地箝位一次侧器件的电压，因此消除了在传统电流馈电拓扑中吸收器件关断电压尖峰所需的有源箝位或无源缓冲器的必要性。采用交错设计，增加功率处理能力。降低了输入电流纹波，减小了无源器件尺寸，降低了设备额定电压和电流，获得了更好的热分布。低压器件的使用和交错单元之间的电流共享导致初级器件的低传导损耗，这是重要的，因为初级侧的电流较高。详细的稳态运行，分析和设计已经说明。仿真和实验结果清楚地证实并证明了所有半导体器件的软开关、自然夹紧和一次侧器件的零电流换相。这些优点使该变换器在燃料电池逆变器、储能系统和燃料电池逆变器的前端dc/dc功率转换等方面具有广阔的应用前景。

数字一览
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图1 图2 图3 图4 图5
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图6 图7 图7 b 图7 c

参考文献







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