摘 要

燃料电池是一种绿色的能源技术，具有节能环保的特点，其是将燃料的化学能转化为电能的能量转化装置。由于其能量转化效率高，无污染，效率随输出变化的特性好，运行噪声低，可靠性高，构造简单等优点，获得了非常广泛的应用。但是燃料电池同时具有一定的局限性，即其输出特性偏软，故不能直接作为电源应用于汽车中，需要增加一个具有高升压比的DC-DC变换器，以达到控制其电压、电流、功率等达到期待值。

本文设计研究了一种具有高升压比的高效率DC-DC变换器，变换器主电路采用四相交错并联技术，具有良好的性能。主要研究内容如下：

根据标准及需求，设计DC-DC变换器主拓扑结构：四相交错并联Boost电路，和以TMS320F28335DSP芯片为主控芯片，设计控制电路，及电压电流及温度信号采集处理电路，IGBT驱动电路包括驱动芯片的选择及外围电路设计和CAN通信电路。

完成系统仿真，通过计算所得参数在Simulink中搭建仿真平台进行仿真实验，并根据仿真结果进一步调整参数以获得更好的效果。

关键字：燃料电池；Boost变换器；交错控制技术

Abstract

Fuel cell is a green energy technology with the characteristics of energy conservation and environmental protection. It is an energy conversion device that converts the chemical energy of fuel into electric energy. Due to its high energy conversion efficiency, pollution-free, good performance of efficiency with output change, low operating noise, high reliability, simple structure and other advantages, it has been widely used. However, the fuel cell also has certain limitations, that is, its output characteristic is too soft, so it cannot be directly applied to the automobile as a power source. Therefore, it is necessary to add a DC-DC converter with a high boost pressure ratio to achieve the desired value of controlling its voltage, current and power.

In this article, we have developed a highly efficient DC - DC converter with a high pressure ratio, and the main circuit of the converter is a four-phase staggered parallel technique, and it has good properties. The main research contents are as follows:

According to the standards and requirements, the main topology structure of dc-dc converter is designed: four-phase staggered parallel Boost circuit, TMS320F28335DSP chip as the main control chip, control circuit, signal acquisition and processing circuit, IGBT drive circuit and communication circuit.

Completed the system simulation, built the simulation platform in Simulink by calculating the parameters, and further adjusted the parameters according to the simulation results to obtain better results.

Key Words： Fuel cell；Boost converter；Staggered control technology

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 车用燃料电池升压DC/DC变换器方案设计 5

2.1 DC-DC变换器设计指标 5

2.2 主电路方案设计 6

2.3控制电路方案 7

2.4本章小结 8

第3章 车用燃料电池DC-DC Boost变换器主电路参数及控制电路设计 9

3.1 四相交错并联Boost电路的硬件设计 9

3.1.1 四相交错并联Boost电路的工作原理 9

3.1.2 四相交错并联Boost电路的参数计算及元器件选型 11

3.2 数字控制电路的设计 13

3.2.1 主控电路的硬件设计 14

3.2.2 驱动电路的硬件设计 18

3.2.3电压电流采集电路的硬件设计 19

3.2.4 温度采集电路及过热保护 20

3.2.5 CAN通信电路的硬件设计 21

3.3 本章小结 22

第4章 仿真及结果分析 23

4.1 仿真模型的搭建 23

4.2 仿真结果及分析 23

第5章 总结与展望 36

5.1 工作总结 36

5.2 展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

燃料电池主要由阴极，电解质和燃料组成。 正极和负极分别被称为阴极和阳极。 这两个端子与电解质内部和外部电路接触。 燃料连续供给阳极，而氧化剂供给阴极。 通常，燃料是纯氢或含有一些氢气，如甲醇，乙醇和天然气。 氧化剂是纯氧或含有氧气，如空气或氯等卤素。在大多数情况下，氢气和氧气的燃烧产生水，它将在电极处独立地分裂成两个电化学反应，这被称为两电池反应。燃料电池相对于其他动力源相比具有多种优势，其主要的几点罗列如下：

1. 燃料电池具有更高的效率。
2. 无噪音操作。
3. 完全没有污染，因为排放产物是水而不是二氧化碳。
4. 对维护的要求不高。
5. 燃料电池很经济，因为它不需要任何化石燃料来运行。

基于这些优点，燃料电池近些年获得了极大的发展，图1.1给出了每年的燃料需求量。从图1.1中可以看出，燃料电池的安装量正在逐年增加。

图1.1.每年对燃料的需求量

燃料电池用于许多应用中，包括分布式发电（DG），汽车应用和电信应用等方面。 在所有这些应用中，燃料电池的技术，经济和环境优势被充分开发和利用。其中燃料电池在交通运输方面的应用是目前最具前景也是呼声最高的用途之一。

燃料电池汽车具备多方面性能优势，得到业内越来越多的关注，甚至有不少专家认为，氢燃料电池汽车最终将取代纯电动汽车，成为未来交通工具的最佳解决方案。与传统汽车、纯电动汽车技术相比，燃料电池汽车具有以下主要优点：

1. 燃料电池的本质上是一种化学反应，没有普通汽车燃烧有机物的过程，所以污染的排放量极少，近乎于零污染，所以极为绿色环保。
2. 由于燃料电池是通过化学反应，直接将化学能转化为电能的，而非像普通汽车一样是通过化学能转化为热能再转化为机械能，因此其的量转换效率极高。故同样的行驶条件及行驶路程下，燃料电池汽车较传统能源汽车而言能节约较多的能源。通常燃料电池的能量转化效率为60%~80%，而普通内燃机的能量转化效率只能达到20%左右。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用内燃机的普通汽车。
3. 燃料电池汽车的续航相较于电动汽车而言更长，已经接近了传统汽车。而电动汽车由于电池技术的瓶颈，其续航能力是一大缺憾，同时，燃料电池的燃料补充相较于电动汽车的充电需求而言也更为简单与方便。
4. 运行平稳、低噪声。燃料电池属于静态能量转换装置，它其中的运动部件只有空气压缩机以及必须的冷却系统，除此以外无其他运动部件，因此与传统汽车相比，没有了内燃机及马达的工作，极大的降低了噪声。
5. 过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。

虽然具有如此诸多的优点，但同时，燃料电池也有一定的缺陷。例如燃料电池输出特性较软，直接应用时带载能力差，如图1.2燃料电池输出特性曲线（燃料电池极化曲线）所示，当燃料电池所接负载增大时，电池输出电压会快速下降，不能稳定在一个期望值上，因此不能直接作为动力源应用于汽车动力系统。

（注：横坐标为电流I/mA，纵坐标为电压U/V）

图1.2 燃料电池极化曲线

故需要设计合适的DC-DC模块将燃料电池的输出控制问稳定及可调，从而满足整个燃料电池汽车的各个的需求。同时，变换模块应具有较高的效率，且由于要搭载于各式汽车上，故同时要求应尽量减少体积，减轻重量。

1.2国内外研究现状

DC-DC变换器按照输入输出是否隔离可分为隔离型和非隔离型变换器，其中Boost变换器是最典型的非隔离型升压电路之一。他的原理是利用电感L储能时出现的电压泵升现象来进行升压，利用大电容C储能来稳定电压从而使减少输出电压纹波。交错并联技术就是基于的Boost电路的一种发展。如图1.3就是一种典型的二相交错并联Boost变换器。

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