燃料電池供電系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著人類生活水平的不斷提高，對能源的需求大幅度增加?；茉吹炔豢稍偕茉凑找婵萁撸宜斐傻沫h(huán)境污染日益嚴重。氫能作為一種綠色新能源，得到越來越多的應(yīng)用。氫能利用的一個重要方面就是燃料電池，它將氫和大氣中的氧反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，其反應(yīng)產(chǎn)物為純凈水，對環(huán)境沒有污染，而且噪聲也很小。因此燃料電池供電系統(tǒng)的研究對新能源的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。 本文提出了燃料電池供電系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際設(shè)計情況，通過分析和對比，確定了復(fù)合式

2、燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為本文所要研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由燃料電池、單向變換器、雙向變換器、蓄電池和逆變器構(gòu)成，其中蓄電池通過雙向變換器與直流母線并聯(lián)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1) 由于蓄電池的引入，燃料電池的功率等級只需按照系統(tǒng)額定功率進行配置，從而降低整個系統(tǒng)的成本；2) 當(dāng)負載發(fā)生突變?nèi)剂想姵貋聿患胺磻?yīng)時，可由蓄電池通過雙向變換器向負載供電，動態(tài)響應(yīng)快。系統(tǒng)開機時，可以由蓄電池向負載供電，因此便于燃料電池的自啟動；3) 雙向變換器可以控

3、制蓄電池的充放電電流，延長蓄電池的壽命；4) 雙向變換器的一端與直流母線并聯(lián)，而直流母線的電壓相對比較穩(wěn)定，因此雙向變換器優(yōu)于設(shè)計，可以減小電感大小，從而提高動態(tài)性能；5) 可以通過選擇雙向變換器的工作模式來實現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理，確保燃料電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作，使得系統(tǒng)可以高效工作。 燃料電池沒有功率調(diào)節(jié)能力，外特性很軟，這就要求單向DC-DC變換器可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)高效工作。本文將LLC諧振網(wǎng)絡(luò)引入到復(fù)合式全橋三電平變換器

4、中，得到了適合于燃料電池供電系統(tǒng)的復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器。該變換器集成了復(fù)合式全橋三電平變換器和LLC諧振變換器的優(yōu)點：1) 適合于寬輸入電壓范圍的應(yīng)用場合，可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)高效工作；2) 三電平橋臂的開關(guān)管電壓應(yīng)力只有輸入電壓的一半；3) 輸出整流二極管實現(xiàn)ZCS，而且其電壓應(yīng)力僅為輸出電壓；4) 可以在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS；5) 輸入電流紋波和輸出濾波器可以減小。實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。 在高壓

5、的燃料電池供電系統(tǒng)中可采用加箝位二極管ZVS PWM三電平變換器，但原有的變換器存在一定的缺點，本文對原變換器進行改進，將變壓器和諧振電感交換位置，使變壓器與滯后管相連。改進型加箝位二極管ZVS PWM三電平變換器保留了原變換器消除輸出整流管反向恢復(fù)引起的電壓振蕩的優(yōu)點，并且還具有以下優(yōu)點：1) 在一個周期中，箝位二極管只導(dǎo)通一次，因此其電流定額可以減小；2) 零狀態(tài)時導(dǎo)通損耗小，效率可以提高；3) 占空比丟失小。此外，還討論了隔直電容

6、在不同位置時對變換器工作的影響，確定了一種最佳工程方案，即在改進后變換器的變壓器中串聯(lián)隔直電容，并以一個3kW的原理樣機進行了實驗驗證。 燃料電池動態(tài)響應(yīng)慢，自啟動困難，所以系統(tǒng)中引入了蓄電池和雙向變換器。本文提出了適合于燃料電池供電系統(tǒng)的三電平Buck/Boost雙向變換器。該變換器具有以下優(yōu)點：1) 電感可以大大減小，提高變換器的動態(tài)響應(yīng)，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的動態(tài)特性；2) 開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為高電壓端輸入電壓的一半。

7、由于系統(tǒng)中除了燃料電池外，還有蓄電池作為能量存儲裝置用來在不同的條件下給負載輔助供電或吸收多余的能量。為了確保系統(tǒng)具有很高的效率和可靠的穩(wěn)定性，必須保證燃料電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作，對整個系統(tǒng)的能量走向流進行管理。本文提出了系統(tǒng)的能量管理控制思路，其核心是根據(jù)燃料電池和蓄電池的狀態(tài)來控制雙向變換器，使其分別工作在Buck、Boost或關(guān)機模式，以此來控制蓄電池的充放電狀態(tài)，從而對整個系統(tǒng)進行能量管理。本文確定了單向和雙向變換器穩(wěn)壓和限流值，