分析并設(shè)計一個大功率電子負載控制器為燃料電池組測試

1、<p>　　分析并設(shè)計一個大功率電子負載控制器為燃料電池組測試</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　燃料電池（FC）組是燃料電池電動車的動力源，他的輸出電流和功率通常相互需要通過測試來控制。電子負載控制器（ELC）經(jīng)常被引入FC測試系統(tǒng)來控制直流總線。這樣的負載所要求的特點應(yīng)該有高功率、高可靠性、高轉(zhuǎn)速和低成本的動態(tài)響應(yīng)。在本文中，

2、一個高特性的電子負載控制器對燃料電池組進行測試是根據(jù)燃料電池組的輸出特性要求。為了確保持續(xù)的輸入電流，主電路采用雙并聯(lián)BUCK和LC濾波器。為了抑制有輸入濾波器引起的共振，輸入電流的負載循環(huán)傳遞函數(shù)的獲得通過使用平均模型，然后通過閉環(huán)控制實習(xí)有效電流模式。以燃料電池組極化曲線為基礎(chǔ)，也可以實現(xiàn)有功功率模式和欠壓保護功能。這種電子負載控制器已經(jīng)成功運用于60KW的燃料電池組測試系統(tǒng)中，同時取得了良好的精度和動態(tài)特性。</p>

3、<p>　　關(guān)鍵詞：燃料電池；電子負載；輸入電流和功率控制</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　近年來，能源短缺和環(huán)境污染的問題不斷的被惡化。燃料電池電動車因為節(jié)能和環(huán)保特性已經(jīng)將世界的目光吸引到汽車方面。燃料電池組是燃料電池電動車的動力源，他的輸出性能直接影響汽車的流動性，因此，必須在安裝前進行測試和評估。</p>

4、<p>　　廣泛使用的設(shè)備包括電阻，水電阻和電子負載。電阻和水電阻可以應(yīng)用于高功率燃料電池組的測試。然而，前者只能達到連續(xù)調(diào)整，并且有一個固定的電阻或者負載特性曲線。雖然后者可以實現(xiàn)無級調(diào)整，但是可調(diào)范圍比較狹窄，只能履行的輸出特性曲線測試的一部分。盡管從很多不同的工廠能提供不同種類的電子負載控制器【1-4】，但只有很少是專門進行燃料電池系統(tǒng)測試的，他們?nèi)狈涣骱颓冯妷罕Ｗo功能，因此給燃料電池組的測試增加了難度【5】。此外

5、，市場上的產(chǎn)品非常的昂貴，每千瓦的耗資高達數(shù)千美元【6】。</p><p>　　制造商的網(wǎng)站和產(chǎn)品說明書上不提供他們產(chǎn)品的設(shè)計細節(jié)，從相關(guān)文件上獲得的資料也是很有限的。以一個12V/5A的燃料電池控制器樣本為原型進行測試【7】，它使用全橋，結(jié)合模擬控制和數(shù)字控制，這種電子負載控制器有較強的適應(yīng)性。另一種可控的直流負載引入，它可以產(chǎn)生完整的燃料電池組極化曲線以及太陽能電池陣列V-I特性。這種可編程直流負載可以用來模

6、擬一個可變電阻、可變電流或可變電力負荷，參考文獻【8】對電子負載控制器和燃料電池作了詳細介紹以及低功率電子負載控制器的發(fā)展。</p><p>　　在此提供一個高功率電子負載控制器的建議。在第二部分， 燃料電池輸出特性試驗要求和試驗平臺的結(jié)構(gòu)將提出。第三部分和第四部分是目前控制電路和系統(tǒng)設(shè)計的電子負載控制器。一個60KW的樣機的開發(fā)是為了證明設(shè)計過程的有效性，仿真和實驗結(jié)果驗證了分析和設(shè)計過程。</p>

7、<p>　　2燃料電池組測試要求輸出特性和測試綱領(lǐng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　A燃料電池組測試要求的輸出特性</p><p>　　燃料電池組的主要電氣性能檢測項目包括它的極化曲線（V-I特性曲線）和動態(tài)。單個電池的極化曲線可以分為3個區(qū)域：活躍的區(qū)域，歐姆極化的區(qū)域和濃度極化區(qū)域，如圖1所示。活躍的區(qū)域是在負載開始的時候，此時輸出電壓下降快?；钴S區(qū)域后面是歐姆極化區(qū)域，此時輸出

8、電壓幾乎成線性下降，輸出電流成線性增加。當(dāng)輸出電壓下降到一個固定值，如果繼續(xù)增加輸出電流，那么單電池將會被過度使用，它的壽命將會大大縮短。這個區(qū)域稱為濃度極化區(qū)域。燃料電池組的極化曲線接近于單電池的，而他的具體參數(shù)確定由電池組所包含單個電池的數(shù)量、組合模式和衰減率來決定。</p><p>　　圖1 單電池的輸出特性</p><p>　　這使得V-I特性在不同的燃料電池組中有巨大的差異。動態(tài)

9、特性是實際值跟隨目標(biāo)值的響應(yīng)速率。這2個因素確保燃料電池組執(zhí)行車輛控制的命令，直到它及時正確。輸出電流和燃料電池組的功率在測試過程中需要控制，而且一個欠壓保護機械裝置也需要防止燃料電池組進入濃度極化區(qū)域。</p><p><b>　　B測試綱領(lǐng)</b></p><p>　　測試綱領(lǐng)方案如圖2所示。工業(yè)個人計算機（IPC）連接燃料電池組和電子負載控制器。它檢查通過CAN

10、總線的電池組的狀態(tài)，并發(fā)送目標(biāo)電流值、目標(biāo)功率值、控制模式和欠壓保護值給電子負載控制器。輸入電流和功率，也就是燃料電池組的輸出電流和功率可以正確的改變通過改變電子負載控制的等效阻抗。</p><p><b>　　圖2 測試綱領(lǐng)</b></p><p>　　3電子負載控制器的電路設(shè)計</p><p>　　由于電子負載控制器需要可變電流的控制，電流

11、源的拓撲結(jié)構(gòu)比電壓源的更好。電流源的基本拓撲結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型，根據(jù)是否使用變電壓分為隔離和非隔離。</p><p><b>　　A隔離拓撲</b></p><p>　　有三種比較常見的隔離拓撲類型：全橋、半橋（L型）和推挽。由于電池組的輸出功率比較廣泛從0到60KW，拓撲結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)考慮測試條件和功率器件參數(shù)限制。談到電壓源的拓撲結(jié)構(gòu)，全橋電路比其他兩個電路有最低

12、的電壓和電流壓力。但是，全橋電路需要四個開關(guān)，并且在同一橋臂開關(guān)旁需要開/關(guān)交替運行，該驅(qū)動電路比較復(fù)雜，傳入變壓器也將增加成本。此外，在隔離拓撲優(yōu)勢并不明顯的情況下，燃料電池測試系統(tǒng)中沒有必要提供muti輸出。因此，隔離拓撲結(jié)構(gòu)并不是最好的選擇。</p><p><b>　　B非隔離拓撲</b></p><p>　　在非隔離拓撲中有三種常用到的類型：降壓、升壓和降壓

13、升壓。降壓升壓電路由于它的高電壓和電流應(yīng)力，主要用于低功耗的情況下。升壓電路是低輸入電流紋波的首選，但它的輸出電流不能達到完全關(guān)閉。降壓電路可以開關(guān)自如，但它的輸入電流是不連續(xù)的。燃料電池組不能忍受高單溜紋波。盡管增加一個輸入電容能夠在一定程度上減少脈動電流，但紋波仍然不能夠讓人滿意，輸入電流的精確控制也難以執(zhí)行。</p><p>　　C雙并聯(lián)降壓輸入LC濾波器</p><p>　　為了確

14、保連續(xù)的輸入電流控制電子負載控制器同時做一個開關(guān)進一步減少電壓和電流應(yīng)力，設(shè)計了一個雙并聯(lián)降壓輸入低通濾波器，如圖3所示。首先，濾波電感和和高頻電容加在降壓電路的輸入。該電感器的輸入電流持續(xù)在整個工作周期，并能成功的抑制紋波。輸入電流的功率和電子負載控制器能通過改變P1驅(qū)動信號進行校正。為了進一步的減少電壓和電流的應(yīng)力，電路選擇了雙并聯(lián)結(jié)構(gòu)。他們兩個都與輸入一起加到輸入濾波器中并與輸入電容C3共享。同樣在FEL(前端負荷)的輸出電流的大

15、小，每個支流的電流是總電流的一半，同時di/dt也降低到50%。電壓波尖時寄生電感斷開，根據(jù)寄生電感所引起的同樣減少，因此，系統(tǒng)的可靠性得到改善。</p><p>　　圖3 電子負載的總電路</p><p>　　4電子負載控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　增加輸入低通濾波器可以確保連續(xù)輸入電流，然而，它也會引起諧振問題。振蕩的理由在【11】中被解釋為一負動態(tài)

16、電阻代替了一個理想的開關(guān)穩(wěn)壓器。等效電路的特征多項式包含了一個負項，它代表一個無限的，因此系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如果再設(shè)計輸入濾波器時忽略反饋系統(tǒng)，那么會發(fā)生多次振蕩頻率的共振。這種不穩(wěn)定的問題可以通過引入適當(dāng)?shù)囊种频捷斎霝V波器【12】得到控制，然而整個電路會更加的復(fù)雜。實際上，如果在最開始設(shè)計反饋系統(tǒng)時考慮輸入濾波器的影響，振蕩也可以被避免。</p><p><b>　　A變電流模式</b>&l

17、t;/p><p>　　選擇輸入電流為控制變量，典型的反饋系統(tǒng)如圖4【13】所示。不論是否含有濾波器，PWM發(fā)電機的傳遞函數(shù)Gm（s）和反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H(s)相當(dāng)于沒有輸入濾波器的電路。而輸入電流負載循環(huán)的傳遞函數(shù)Gid（s）卻不同，補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)Gc（s）應(yīng)根據(jù)函數(shù)Gid（s）進行調(diào)整。</p><p>　　圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于每個

18、分支的并行拓撲結(jié)構(gòu)是一樣的，僅建立在一個分支上的小信號狀態(tài)方程是合理的。選擇支路1（包括T1）為研究對象，轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)變量由Ui、、、、和D（負載循環(huán)）定義。當(dāng)T1打開時，電路工作在模式1，如圖5（a）所示。利用平均法【14】，模式1的連續(xù)電流模式（CCM）方程可以寫成如下所示：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　當(dāng)T1關(guān)閉的時候，電路工

19、作在模式2，如圖5（b），模式2的CCM方程可以寫成：</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　開環(huán)輸入電流的負載循環(huán)傳遞函數(shù)如下所示：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　(4)</b></p><

20、;p><b>　　元件值的選取為：</b></p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　根據(jù)傳遞函數(shù)的幅頻特性，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：</p><p>　　設(shè)置,響應(yīng)曲線如圖6所示。</p><p>　　圖

21、5 開關(guān)狀態(tài)為開（a）、關(guān)（b）</p><p>　　圖6 輸入電流的動態(tài)響應(yīng)曲線</p><p><b>　　B可變功率模式</b></p><p>　　可變功率模式意味著一個目標(biāo)功率值是通過CAN總線從IPC中得到的。電子負載控制接受這個命令并調(diào)整負載D改變輸入電壓和輸入電流、，使輸入電壓和輸入電流與目標(biāo)功率值相符。也就是：</p&g

22、t;<p><b>　?。?） </b></p><p>　　可變功率模式需要同時調(diào)整輸入電壓和輸入電流，這增加了控制的難度。但是，可以從燃料電池組V-I特性曲線看出輸出電壓和輸出電流之間存在的聯(lián)系。這是更明顯的歐姆極化區(qū)域。隨著輸出電流的增加，輸出電壓線性下降。在測試過程中，活躍區(qū)域找有很窄的范圍，在濃度極化區(qū)域工作將會減少電池組的壽命，應(yīng)通過欠壓保護來避免。絕大多數(shù)的測試都

23、是完成在歐姆計劃區(qū)域，利用極化曲線，可以大大的簡化可變功率的控制。</p><p>　　在這里，可變功率模式是建立在可變電流模式的基礎(chǔ)上。當(dāng)電子負載控制器接收到目標(biāo)功率值時，首先抽取樣本輸入電壓，然后通過公式（6）轉(zhuǎn)換目標(biāo)功率到目標(biāo)電流和，動態(tài)調(diào)整過程如圖7所示：電子負載控制器開始的輸入功率為P1，為圖7中這線所示。靜態(tài)工作穩(wěn)定點在燃料電池組的伏安特性曲線和恒功率曲線P1的交點A處。當(dāng)電子負載控制器收到P2目標(biāo)功

24、率值的改變，它的第一個樣本電流輸入電壓，然后計算第一次調(diào)整目標(biāo)電流值，使穩(wěn)定工作點從A點移動到B點。假設(shè)目標(biāo)功率P2仍然保持不變，電子負載控制器重新樣品的電流輸入電壓計算第二次調(diào)整目標(biāo)電流值，然后穩(wěn)定工作點從B點移動到C點。重復(fù)上述進展使靜態(tài)工作點無限接近FVE的伏安特性曲線和恒功率P2的曲線，并最終穩(wěn)定在Z點。燃料電池組的特點是隨著電流的增加輸出電壓減少，這保證了實際上電流沿一個方向接近目標(biāo)值。這意味著當(dāng)目標(biāo)功率值保持不變時，目標(biāo)電流

25、的轉(zhuǎn)換式中是上升或者下降去接近目標(biāo)值而不是左右浮動接近。這滿足了測試的輸出電流的變化不能太快的要求。此外，這種控制法則不需要額外的補償網(wǎng)絡(luò)，只需要變電流模式和補償網(wǎng)絡(luò)共享。從而使控制系統(tǒng)簡單化。</p><p>　　圖7 輸入功率動態(tài)調(diào)整曲線</p><p>　　C控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計</p><p>　　控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。使用DSP2407作為主芯

26、片，它包含了AD轉(zhuǎn)換器和CAN控制器。ELC的輸入電流和電壓可由外部采樣電路采樣。對目標(biāo)電流/功率和欠壓保護可以從IPC通過外部的CAN收發(fā)器收到，同時，輸入電流和功率將被送回到IPC。通過外部數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DA），目標(biāo)電流值將給出當(dāng)前值當(dāng)前值與樣本電流值比較找出錯誤的信號。通過PI調(diào)節(jié)器，錯誤的信號將被轉(zhuǎn)換成由PWM發(fā)生器需要的負載去控制開關(guān)開/關(guān)。保護電路可以應(yīng)用于過流和過溫保護，它可以自動的關(guān)閉驅(qū)動和切斷輸出。</p>

27、;<p>　　程序流程圖如圖9所示。DSP2407通過CAN總線從IPC接收到命令，并進入CAN中斷服務(wù)程序，獲得輸入欠壓值，控制模式模式，目標(biāo)功率目標(biāo)電流。在開始的時候，將欠壓值和ECL的采樣電壓比較。當(dāng)?shù)陀跁r，ECL的輸出將會切斷，否則方式將被控制方式所決定。模式=0代表變電流模式，模式=1代表變功率模式。在變電流模式中，DSP2407根據(jù)電流傳感器比例想DA轉(zhuǎn)換并將它傳遞個PI調(diào)節(jié)電路，然后退出CAN中斷服務(wù)程序。在

28、可變功率模式，DSP2407轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的輸入電流，然后發(fā)送相應(yīng)的DA值到PI調(diào)節(jié)電流。CAN中斷服務(wù)程序直到目標(biāo)功率和實際功率之間相差小魚0.1KW時才停止。</p><p>　　圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖9 程序流程圖</b></p><p><b>　　5實驗結(jié)果</b></p>

29、<p>　　圖10顯示了輸入電感電流I1和I2的波形。圖11是在可變電流模式實際電流和目標(biāo)電流的比較，可以看出這兩條曲線幾乎重合。圖12是在可變功率模式下實際功率和目標(biāo)功率的比較，可以看出實際功率稍微滯后與目標(biāo)功率（小于1s）。在實驗的基礎(chǔ)上，可以看出高功率的ELC可以實現(xiàn)變電流和變功率的控制，而且具有較高的準(zhǔn)確性和快速的動態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　圖10 輸入濾波器電感的波形</p>

30、;<p>　　圖11 實際電流與目標(biāo)電流</p><p>　　圖11 實際功率與目標(biāo)功率</p><p><b>　　6結(jié)論</b></p><p>　　在此一個新的高功率ECL測試燃料電池組已經(jīng)完成。具有輸入低通濾波器的雙并聯(lián)BUCK電路被引入，對輸入電流的負載循環(huán)傳遞函數(shù)已經(jīng)獲得。根據(jù)這一個功能，變電流控制反饋系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，并

31、輸入濾波器引起的共振也得到了抑制?；谧冸娏髂Ｊ胶腿剂想姵亟M的極化曲線、可變功率控制算法不需要額外補償網(wǎng)絡(luò)的極化。此外，欠電壓保護功能也已經(jīng)實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)果證明大功率電子負載控制器計劃已經(jīng)實現(xiàn)。</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Chro

32、ma Systems Solutions Inc., “DC Electronic Loads,” http://www.chromausa.com/pdf/6310-E.pdf (current Nov. 15, 2006).</p><p>　　[2] AMREL Power Products, “Electronic Load,” http://www.amrel.com/AMRELPowerProduct

33、s/index.html (current Nov. 15, 2006).</p><p>　　[3] Electronix Express, “300W Programmable DC Electronic Load,” http://www.elexp.com/tst_8500.htm (current Nov. 15, 2006).</p><p>　　[4] Unispan Ins

34、truments, “300W Programmable DC ElectronicLoad,”http://www.ferret.com.au/Showcases/Unispan-Instruments/138997(current Nov. 15, 2006).</p><p>　　[5] Kang Xie, Qingchun Lu, Zhenhua Jin, Dawei Gao and Haiyan Hua

35、ng, “Development of fuel cell testing system,”. Vehicle Engine, Beijing, vol.5, pp. 22-29, October 2003.</p><p>　　[6] M. Kazerani, “A High-Performance Controllable DC Load,”2007 Ieee International Symposium

36、on Industrial Electronics Proceedings, Vols 1-8, pp. 1015-1020.</p><p>　　[7] Ouyang Huilin, Wang Gang, “The Study of Electronic Load Based on DSP,” Proceedings of Power Electronics Systems and Applications,2

37、004, pp. 285-290.</p><p>　　[8] Hao Wang, “A design of electric load for fuel cell testing system”.Beijing: University of Electronic Science and Technology, 2007.</p><p>　　[9] J. S. Lai and D. J.

38、 Nelson, "Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles," Proceedings of the Ieee, vol. 95,pp. 766-777, Apr 2007.</p><p>　　[10] Xinbo Ruan and Yangguang Yan, “Soft sw

39、itch technology of DC switching power supply,” Beijing: Science Press, 2000.</p><p>　　[11] Muhammad Usman Iftikhar, Daniel Sadarnac, Charif Karimi, “Input filter damping design for control loop stability of

40、DC-DC converters,”Industrial Electronics, France, 2007, pp. 353-358.</p><p>　　[12] R. D. Middlebrook, “Design techniques for preventing input-filter oscillations in switched-mode regulators,” Proceedings of

41、Powercon 5,May 1978, pp. A3-1-A3-16.</p><p>　　[13] Weiping Zhang, “Modeling and control of switching power supply,”Beijing: China Electric Power Press, 2006. </p><p>　　[14] R. D. Middlebrook, “I