燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究解析

山东科技大学学士学位论文摘要燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。

但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。

燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。

本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。

首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。

其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。

再次，本课题的设计目标：将 5 KW质子交换膜燃料电池组85的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主~120V动力。

根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。

关键词: 燃料电池 DC/DC变换器 Boost电路 Multisim Matlab/Simulink燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究ABSTRACTFuel cell is a device which can transform chemical energy directly into electric energy. It is a green energy of high efficiency .which has various advantages such as high efficiency of power generation and density, environment friendly, stability and reliable operation, so it is regarded seriously by more and more people,becoming one of the most promising energy technology.However, the output voltage of the FC is not always very high and varies largely as the load changes.Therefore, power converter is essential in the Fuel cell generation system.which can boost the voltage of the FC and stabilize the voltage of the output of the power converter, in order to get required DC or AC.This paper mainly studies the DC/DC converter of the fuel cell generation system..This paper first introduces the background of selection of this subject, analyses the working theory and the output performance of PEMFC.Then, the paper introduces different innovation in DC/DC converters used in fuel cell system .What is followed is the key part, according to the characteristics of the electric vehicle and fuel cell system, boost circuit is chosed to topologies of DC/DC converter. Meanwhile, the paper presents the development and accomplish the conversion,and given analysis of the working principle of the circuit .The goal of the design is to boost the output voltage of 5KW PEMFC system varing between 85~120 V, to about 375V so that it can be inverted to 220V AC to supply for the light vehicle.With theoretical studying the design,criterions of key circuit parameters are gained,finally the author simulates the boost circuit for fuel cell with the software Multisim and Matlab/Simulink, in the end analyses the output waves,the advantages and disadvantages of this design.Key words:fuel cell DC/DC converter Boost circuit Multisim Matlab/Simulink山东科技大学学士学位论文目录1 绪论 (1)1.1 本课题的背景及意义 (1)1.2 燃料电池的工作原理 (2)1.3 燃料电池的工作特性 (4)2 常见的直流变换器 (6)2.1 基本元器件及技术 (6)2.2 基本的直流变换器 (9)3 直流变换器的设计 (12)3.1 直流变换器的性能要求 (12)3.2 国内外的研究发展 (13)3.3电动汽车中变换器的设计 (14)4 boost变换器的建模与仿真 (20)4.1 Boost电路参数的设计 (21)4.2 Boost电路的建模与仿真 (23)4.3 本方案的优缺点分析 (32)5 结束语 (34)参考文献 (35)致谢辞 (37)附录 (38)山东科技大学学士学位论文1 绪论1.1 本课题的背景及意义随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用,传统石化能源的储备逐渐减少，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。

全世界致力于风能、太阳能等可再生能源以及燃料电池等绿色能源的开发与利用，其中燃料电池发电系统具有安装简单、不受阳光、风等自然条件限制、发电效率高、功率密度大、环境友好等优点，成为具有广阔发展前景的新能源发电技术之一[1]。

燃料电池是一种电化学的发电装置，它能量转化效率高、噪音小、污染少，是一种先进的能量转换装置，并且它的应用十分广泛，可以应用在任何需要能源和动力的领域。

随着我国汽车保有量的增长，石油资源不足引起传统燃料供需矛盾日益突出，汽车尾气污染也越来越严重。

以燃料电池为动力的电动汽车是解决这些问题最有效也是最现实的措施。

但是燃料电池本身产生的不稳定直流电，以及目前的燃料电池输出特性偏软及动态性能较差的特点使得其直接作为动力源并不合适，因此必须配备功率变换器，来调节、控制和管理电源输出，以得到符合要求的直流电或交流电能。

因而，随着燃料电池产品与技术的发展，针对燃料电池应用的电力电子变换装置与技术的研究与开发已成为一项重要的课题。

燃料电池输出的不稳定的低压直流电可经DC/DC变换器升压，再经过逆变后提供用户使用。

为了获得高效率的燃料电池变换器，研究低压直流输入、低成本、低污染、高效率、高功率密度的DC/DC变换器有着十分重要的意义。

燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究1.2 燃料电池的工作原理1.2.1 燃料电池简介依据电解质的不同，燃料电池分为五大类，碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等，其特性见表1-1[2]。

表1-1 主要燃料电池及其特性电池类型AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC燃料纯氢天然气、氢天然气、煤气、沼气天然气、煤气、沼气氢、甲醇、天然气氧化剂纯氧空气（氧气）空气（氧气）空气（氧气）空气（氧气）工作温度（℃）50-220 150-220 650左右900-1050 60-80效率60—90% 37—42% >50% 50—65% 43—58%应用领域太空飞行、国防热电联产电厂联合循环热电厂、电厂船、铁路用车电厂、家庭电源汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂开发状态宇宙航行工业用200KW电池280KW~2MW试验电厂100KW试验电厂家庭电源、汽车、热电联产、计算机电源、手机电源等山东科技大学学士学位论文质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快，且使用无毒性的固态电解质膜，可以做到真正的零排放，而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度，在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力，其发电技术的应用研究已在世界范围内掀起高潮，成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。

1.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理质子交换膜燃料电池是发展较晚的一种新型燃料电池，其原理图如图1-1[3]。

电解质是一种全氟磺酸型固体聚合物，在增湿情况下，可传导质子。

它一般采用铂/碳或铂钉/碳作为催化剂，氢为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为电极板，工作环境温度一般为60~80℃，属低温燃料电池。

质子交换膜型燃料电池中的电极反应类同于其它酸性电解质燃料电池。

阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应：-++→e H H 222 （1-1）该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极。

氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。

反应式如下：O H e H O 222221→++-+ （1-2） 总的化学反应为：O H O H 22221→+ （1-3）燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究图1- 1 质子交换膜燃料电池工作原理图1.3 燃料电池的工作特性1.3.1 质子交换膜燃料电池的静态特性[3]燃料电池的输出特性一般包括伏安特性(I一V曲线)和功率特性(I一P 曲线)。