摘 要

近年来，随着新能源发电技术的快速发展，燃料电池因其具备高工作效率和高功率密度，对环境不造成污染，应用也不受地域限制等诸多优点而逐渐成为新能源领域的研究热点^[1]。

但是，燃料电池输出特性软、动态响应慢，而且受负载影响其动态性能很差，通常需要DC/DC变换器来将其电能进行变换，以解决这一问题。因此高性能的DC/DC变换器变成了新的难题。本文做了如下工作：

首先明确了燃料电池DC/DC变换器的设计指标与要求，分析了燃料电池的特性，选定了燃料电池DC/DC变换器的拓扑结构。以低输入输出电流纹波以及高生涯比为目标，提出了两级升压拓扑结构，其中前级电路为两相交错并联Boost电路，后级电路为移相全桥电路。进而分析了该电路的工作原理。在主电路架构设计的基础上，根据设计指标要求对主电路中的功率开关管、二极管、电感电容等一系列元器件进行选型设计，最后以DSP为CPU进行软件程序的编写。

关键词：燃料电池；DC/DC变换器；仿真；DSP

Abstract

In recent years, with the rapid development of new energy power generation technologies, fuel cells have gradually become a research hot spot in the field of new energy because of their high work efficiency and high power density, no pollution to the environment, and the fact that their applications are not subject to geographical restrictions. .

However, the output characteristics of the fuel cell are soft and dynamic, and its dynamic performance is poor due to the load. Usually, a DC/DC converter is required to convert the power to solve this problem.Therefore, high-performance DC/DC converters have become a new problem.This article did the following work:

Firstly, the design specifications and requirements of the fuel cell DC/DC converter were clarified, the characteristics of the fuel cell were analyzed, and the topology of the fuel cell DC/DC converter was selected.With the goal of low input-output current ripple and high lifetime ratio, a two-stage boost topology is proposed. The prestage circuit is a two-phase interleaved parallel boost circuit and the latter stage is a phase-shifted full-bridge circuit.Then analyze the working principle of this circuit.Based on the design of the main circuit architecture, a series of components such as power switch tubes, diodes, and inductors and capacitors in the main circuit are selected and designed according to the requirements of design specifications.Finally, the DSP is used as the CPU for the software program preparation.

Key Word：Fuel cell；DC/DC converter；Simulation；DSP

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.3本文的主要研究内容 3

第2章 基于宽禁带器件的DC/DC变换器的拓扑设计 4

2.1设计指标与性能要求分析 4

2.2拓扑结构的设计 5

2.3电路参数设计 10

2.3.1两相交错并联Boost电路参数设计 10

2.3.2 移相全桥电路参数设计 12

2.4本章小结 15

第3章 基于以DSP为CPU的DC/DC变换器的软件设计 16

3.1 引言 16

3.2程序设计 16

3.2.1主程序设计 16

3.2.2中断服务程序设计 18

3.2.3控制算法程序设计 19

3.3本章小结 20

第4章 系统仿真与实验结果分析 21

4.1仿真图形 21

4.2结果波形图分析 22

第5章 总结与展望 24

5.1全文工作总结 24

5.2 展望 24

致谢 25

参考文献 26

1. 绪论

1.1研究背景及意义

在过去的几百上千年的人类生活进程中，人类所用的能源主要是像石油、煤炭和天然气等这样的不可再生的化石能源。在过去人口数量稀少，工业发展落后的状况下，不可再生的化石能源已能够满足人们的日常生活所需，所产生的废弃物也不会影响到人类的生存方式。因而，人类并没有试图寻找其它的新能源用来作为化石能源的备用能源。但是，随着科学技术的进步、人类的经济发展迅速、生活水平日益提高以及人口的增长，人们对能源的消耗将会持续的增多，不可再生的化石能源终将有一天使用耗竭。而且化石能源的使用不但会产生二氧化硫、一氧化硫、一氧化碳等有毒气体，这些有毒气体对人类生活将会带来极大的危害。

还会产生大量的二氧化碳气体，这种气体看似无害，可是大量的二氧化碳气体在地球表面聚集，导致地球温度上升，即所谓的温室效应。全球变暖会使冰川和冻土消融致使海平面上升，这样将会使陆地面积越来越少，终将威胁到所有陆地生物的生存包括人类。因此，在全球能源锐减和环境恶化遭破坏的危机下，人们意识到了需要寻找新的可再生能源来替代化石能源以维持长期的发展。

据大数据统计，人类在汽车使用上消耗的化石能源以及排放的有毒气体和二氧化碳占具了很大的比例。因此，清洁、绿色、高效的可再生能源燃料电池受到了人们的关注和重视。燃料电池与传统的燃烧燃料发电有所不同，燃料电池是将氢气和氧气中的化学能通过燃烧转换为电能，只要有足够的燃料和空气，燃料电池就能够源源不断地为外界提供电能。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是中低功率发电系统中最常用的燃料电池之一，它具有较高的能量转换效率、高的能量密度以及可在较低温度下工作的优良特性，受到了人们广泛的关注。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作方式是将氢气和氧气通过质子交换的方式生成水和电能，具有对环境友好且能量密度高的特点。质子交换膜燃料电池与锂电池和蓄电池等储能设备不同，它是通过补充氢气和氧气来提供能量的，而不是储存能量供给给其它设备，因此质子交换膜燃料电池在实际的应用中通常扮演着“发电厂”的角色，而不是储能设备。另外质子交换膜燃料电池的生成物除了电能只有水，实现了对环境零污染、可持续使用的目的。在日常生活的许多领域中都有着燃料电池的身影，并且在像混合动力汽车、便携式电源和后备电源等许多方面取得了不错的成绩。正好在这个全世界都提倡绿色能源、节能环保、低碳生活和可持续发展的大背景下，燃料电池在将来必将有一片广阔的发展运用的天地。

尽管燃料电池发电的优点突出，但是燃料电池的直流输出电压很低并且易受负载的影响而不稳定，燃料电池产生的电能难以被直接利用，因此需要为燃料电池配置相对应的功率调节系统（PCS）来控制它的输出。通常情况下，为燃料电池配置的功率调节系统（PCS）是DC/DC变换器，将燃料电池的输出端与DC/DC变换器的输入端相连，然后再通过控制该DC/DC变换器将燃料电池的输出电压维持在某个稳定的需求值，供给给所需要的后级设备，这就是我们所需要的“燃料电池DC/DC变换器”。

“燃料电池DC/DC变换器”与提供燃料的燃料电池组共通过构成了基本的燃料电池发电系统的架构。燃料电池能够广泛的应用于生活中，这与燃料电池DC/DC变换器的功劳密不可分。同时燃料电池DC/DC变换器的性能的好坏将会决定整个燃料电池发电系统性能的好坏，可以说燃料电池DC/DC变换器的研究程度将决定日后燃料电池的推广深度。因此，研究并设计性能优良、功能多样化且安全稳定的燃料电池DC/DC变换器有着十分重要的应用价值和研究意义。

1.2研究现状

目前，在各种燃料电池发电系统中，燃料电池的电力电子变换器绝大部分都是采用的传统的半桥和全桥拓扑。这种类型的拓扑可用于中大功率的场合。对于像燃料电池这种具有较低输出电压特性的场合，一般采用升压型（Boost）的电路拓扑结构。目前，广大学者及研究人员对DC/DC变换器的研究方向集中于提高变换器的电压增益和效率、降低输入输出电流纹波、合理的功率开关器件、拓扑结构和控制策略等几个方面。在拓扑结构方面，主要分为非隔离型和隔离型的拓扑。两者的主要区别是在DC/DC变换器的拓扑结构中是否存在变压器来进行电气隔离。

非隔离型DC/DC变换器的拓扑基本上包括Boost电路、Buck电路、Buck-Boost电路和Cuk电路以及Sepic电路和Zeta电路。这些电路所用的元器件数量和种类都比较少，控制方法简单，较容易实现。但是这些基础的电路存在升压倍数受限制的情况，已经不能满足越来越复杂、要求越来越高的高性能系统了。因此需要在这些电路结构的基础上进行改进使其能用于高性能的系统。

隔离型DC/DC变换器的电路拓扑结构较为复杂，所用到的元器件数量和种类相较于非隔离型DC/DC变换器也要多出许多。主电路中有高频变压器，实现了电气隔离和高变比，相应的功率器件也可以选择IGBT,MOSFET等功率可控器件，基本拓扑结构包括半桥电路、全桥电路、正激电路、反激电路及推挽电路等结构。

主电路中的高频变压器在进行能量转换时，可以通过提高开关频率来减小滤波器的参数，从而能够有效地降低整个装置的重量和体积，使得整个装置轻量化、小型化。因此装置小型化、轻量化最直接的途径是提高开关的的频率，但是随着开关频率的提高，开关损耗也会随之增加，电磁干扰也会增加，电路效率也会严重下降，所以简单地提高开关频率是不能达到要求的。但是，针对这个问题出现了软开关技术，它可以解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。如今，隔离型DC/DC变换器越来越受到各国研究人员的关注，它具备易于实现软开关和适合较大功率场合的特点。

燃料电池DC/DC变换器作为燃料电池发电系统与负载之间的纽带，负责将燃料电池发电系统提供的电能与负载所需要的电能等级匹配起来。因此，燃料电池DC/DC变换器起着十分重要的作用，它的性能的优劣不仅仅取决于拓扑硬件设计，而且也取决于其控制算法的可靠性。为了能够得到优良的动态性能和稳定的输出，一般采用闭环反馈控制系统。

对于DC/DC变换器而言，常采用的控制策略有PI控制、PID控制、滞环控制、模糊控制和补偿网络反馈控制等控制策略。其中的PI控制、PID控制和补偿网络反馈控制，由于控制算法的简单而较容易实现，因此往往被广泛的使用。

1.3本文的主要研究内容

根据前文的表述，可知燃料电池DC/DC变换器及其控制策略具有广泛的使用范围和重要的研究意义。本文将对燃料电池DC/DC变换器展开研究与设计，主要研究内容如下：

1. 基于宽禁带器件的DC/DC变换器的拓扑设计

根据10kW燃料电池DC/DC变换器的设计技术要求，确定DC/DC变换器主电路的设计方案。分析采用的拓扑结构的优缺点，以及设计中遇到的问题和解决方案，完善DC/DC变换器主电路的设计架构。

1. 基于DSP的DC/DC变换器的软件设计

以DSP28335为CPU对各软件功能模块进行设计，包括主程序、控制策略研究及控制软件实现、A/D转换与数据处理程序设计、CAN通信接口程序设计、串行通信接口程序设计，保护程序设计等。

1. 系统仿真及实验结果分析

在Simulink中搭建所构建的拓扑图，然后将计算出的参数导入进各个元器件进行仿真，将得出的仿真结果与设计要求指标进行对比，看是否达到要求，最后对其进行分析。

1. 基于宽禁带器件的DC/DC变换器的拓扑设计

为了克服燃料电池较软的输出特性，使它能够有效地应用于各个场合，使燃料电池输出的不稳定的直流电变成可调的、稳定的直流电，因此要给燃料电池加上一个DC/DC变换器，本章将完成基于宽禁带器件的DC/DC变换器的拓扑设计。首先根据DC/DC变换器的性能指标，确定DC/DC变换器的拓扑结构，然后对所设计的燃料电池DC/DC变换器的工作原理进行分析。

2.1设计指标与性能要求分析