隨著電動(dòng)汽車的逐漸普及，與電動(dòng)汽車燃料電池相配到的電子元件研發(fā)速度也正在悄然加快，DC-DC變換器作為一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成元件，最近兩年中針對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所推出的新產(chǎn)品也層出不窮。那么，在基于電動(dòng)汽車燃料電池的運(yùn)行特點(diǎn)基礎(chǔ)上所研發(fā)的DC-DC變換器產(chǎn)品，都需要符合哪些設(shè)計(jì)要求呢？

提升電壓

在目前的電動(dòng)汽車燃料電池系統(tǒng)中，中小型燃料電池分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更為多見(jiàn)，這也就對(duì)DC-DC變換器的設(shè)計(jì)提出了一個(gè)要求，那就是必須具備能夠快速提升電壓的作用。在這種分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池整機(jī)輸出一般電壓不高，以10kW質(zhì)子交換膜燃料電池為例，它的輸出電壓范圍是85～120V。大大低于220V單相或是380V三相電網(wǎng)峰值電壓。而現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的不隔離逆變器大都為電壓型逆交器，有降壓的特性。所以在燃料電池輸出和到電網(wǎng)之間必須有一級(jí)是具有升壓功能的DC-DC變換器。

在寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓

由于中小型燃料電池的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特性要求，適用于該系統(tǒng)的前級(jí)DC-DC變換器還必須能夠在寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓。由于燃料電池本身是一個(gè)熱電聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載功率來(lái)調(diào)節(jié)氣體的流量和壓力來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。因此，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，如負(fù)載電流突然加大，燃料電池系統(tǒng)需對(duì)燃料流量、壓力做調(diào)節(jié)才能得到新的穩(wěn)定輸出電壓，而這一調(diào)節(jié)過(guò)程往往需要有機(jī)械裝置來(lái)參與，所以具有較大的時(shí)間常數(shù)。并且，由于化學(xué)反應(yīng)受各種客觀因素的影響，如反應(yīng)堆的濕度、溫度等，使得本來(lái)不穩(wěn)定的輸出電壓更加不穩(wěn)定。圖1為小型電動(dòng)汽車應(yīng)用的燃料電池在不同氫壓下的輸出特性，圖2為其在不同溫度下的輸出特性。

圖1

圖2

結(jié)合圖1和圖2給出的數(shù)據(jù)曲線對(duì)比，我們可以得出結(jié)論，那就是想要讓所設(shè)計(jì)的前級(jí)DC-DC變換器適應(yīng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)工作需要，那么這一變換器產(chǎn)品不僅需具有提升電壓的功能，還應(yīng)能在燃料電池輸出電壓寬范圍變化時(shí)，提供給后級(jí)逆變器穩(wěn)定的輸入電壓，并保證負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)也能穩(wěn)定工作。

高效率的電能轉(zhuǎn)換

在目前的電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，不管是何種型號(hào)的燃料電池，它們都存在一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，那就是價(jià)格昂貴。由于目前電動(dòng)汽車的燃料電池大多使用氫作為燃料，而氫氣的產(chǎn)生和存儲(chǔ)的成本占了電池成本的很大一部分，這也是燃料電池成本降不下來(lái)的直接原因。所以，DC-DC變換器的工作效率關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)成本，它必須具備高效的電能轉(zhuǎn)換能力。

下圖中，圖3所示的是當(dāng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度為40℃時(shí)，燃料電池輸出功率密度變化和輸出電壓關(guān)系的曲線中。從圖3所展示的曲線可以明顯的得出結(jié)論，即當(dāng)電流密度下降時(shí)，輸出電壓高，電壓損失小，電池發(fā)電效率高，燃料消耗少，也即運(yùn)行成本較低。

但有一個(gè)問(wèn)題需要工程師特別注意，那就是功率密度將會(huì)隨著電流密度下降而下降，并進(jìn)一步造成燃料電池利用率下降，負(fù)載功率不變時(shí)需要更大的燃料電池，這會(huì)讓設(shè)備成本增大。反之，選擇工作電流密皮大，則燃料電池利用率高，減少設(shè)備投資成本，但是電流密度大將使得電壓降增大，發(fā)電效率減小，運(yùn)行成本增加。因此，工作點(diǎn)的選擇是設(shè)備成本和運(yùn)行成本的折中。

圖3

低頻紋波的抑制

如果想要讓自己所設(shè)計(jì)的前級(jí)DC-DC變換器產(chǎn)品滿足電動(dòng)汽車的使用要求，還必須具備優(yōu)秀的低頻紋波抑制能力。在電動(dòng)汽車的行駛過(guò)程中，燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)燃料的流量來(lái)完成，所以受其機(jī)械裝置的慣性的限制，響應(yīng)速度很慢，不能適應(yīng)負(fù)載的要求。

小型電動(dòng)汽車的燃料電池在正常運(yùn)行的前提下，其本身從空載到5kW滿載切換和滿載到空載切換時(shí)輸出電壓波形如下圖圖4所示，圖4中所圈出的是負(fù)載變化時(shí)，電池的輸出電壓的變化。由圖4可知，當(dāng)電池負(fù)載從0加到滿載時(shí)，輸出電壓會(huì)有個(gè)下降過(guò)程，經(jīng)過(guò)大概0.5s后回到新的穩(wěn)態(tài)，而當(dāng)負(fù)載從滿載減到0時(shí)，輸出電壓會(huì)上升，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間（3s左右）達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

圖4

所以，當(dāng)電動(dòng)汽車的燃料電池能效輸出存在低頻電流紋波時(shí)，根據(jù)燃料電池的輸出特性，燃料電池的輸出電壓和輸出功率也相應(yīng)地有波動(dòng)。而由于調(diào)節(jié)速度慢，燃料流量必須設(shè)置到峰值功率所對(duì)應(yīng)的流量值，在峰值功率之外的工作點(diǎn)上，燃料的利用率就會(huì)下降。與此同時(shí)，這些電流紋波還將在內(nèi)阻上產(chǎn)生紋波電壓以及附加損耗。

除了上面所提到的幾個(gè)不利因素之外，還有一個(gè)問(wèn)題也是低頻紋波所造成的，那就是對(duì)逆變系統(tǒng)的不利影響。在燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于是逆變系統(tǒng)，本身將在逆變器的輸入側(cè)引入一個(gè)與電網(wǎng)頻率有關(guān)的低頻電流諧波。這個(gè)電流諧波實(shí)際上可以等效為周期性突變的負(fù)載，如果諧波幅值很大，那么給電池帶來(lái)不利的影響，所以在前級(jí)DC-DC變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師必須采取一定的方法對(duì)其進(jìn)行抑制。