电动汽车燃料动力电池对DC-DC变换器的设计要求简析

随着电动汽车的逐渐普及，与电动汽车燃料动力电池相配到的电子元件研发速度也正在悄然加快，DC-DC变换器作为一种电动汽车驱动系统的重要组成元件，最近两年中针对电动汽车驱动系统所推出的新产品也层出不穷。那么，在基于电动汽车燃料动力电池的运行特点基础上所研发的DC-DC变换器产品，都要符合什么设计要求呢？

提升电压

在目前的电动汽车燃料动力电池系统中，中小型燃料动力电池分布式并网发电系统更为多见，这也就对DC-DC变换器的设计提出了一个要求，那就是必须具备能够快速提升电压的用途。在这种分布式并网发电系统中，燃料动力电池整机输出一般电压不高，以10kW质子交换膜燃料动力电池为例，它的输出电压范围是85～120V。大大低于220V单相或是380V三相电网峰值电压。而现在应用比较广泛的不隔离逆变器大都为电压型逆交器，有降压的特性。所以在燃料动力电池输出和到电网之间必须有一级是具有升压功能的DC-DC变换器。

在宽输入范围内稳定电压

由于中小型燃料动力电池的分布式并网发电系统特性要求，适用于该系统的前级DC-DC变换器还必须能够在宽输入范围内稳定电压。由于燃料动力电池本身是一个热电联合系统，系统根据负载功率来调节气体的流量和压力来调节输出电压。因此，当负载发生变化时，如负载电流突然加大，燃料动力电池系统需对燃料流量、压力做调节才能得到新的稳定输出电压，而这一调节过程往往要有机械装置来参与，所以具有较大的时间常数。并且，由于化学反应受各种客观因素的影响，如反应堆的湿度、温度等，使得本来不稳定的输出电压更加不稳定。图1为小型电动汽车应用的燃料动力电池在不同氢压下的输出特性，图2为其在不同温度下的输出特性。

图1

图2

结合图1和图2给出的数据曲线比较，我们可以得出结论，那就是想要让所设计的前级DC-DC变换器适应电动汽车的驱动工作要，那么这一变换器产品不仅需具有提升电压的功能，还应能在燃料动力电池输出电压宽范围变化时，供应给后级逆变器稳定的输入电压，并保证负载突变时，系统也能稳定工作。

高效率的电能转换

在目前的电动汽车应用领域中，不管是何种型号的燃料动力电池，它们都存在一个显著的缺点，那就是价格昂贵。由于目前电动汽车的燃料动力电池大多使用氢作为燃料，而氢气的出现和存储的成本占了电池成本的很大一部分，这也是燃料动力电池成本降不下来的直接原因。所以，DC-DC变换器的工作效率关系着整个系统成本，它必须具备高效的电能转换能力。

下图中，图3所示的是当电动汽车的驱动机内部温度为40℃时，燃料动力电池输出功率密度变化和输出电压关系的曲线中。从图3所展示的曲线可以明显的得出结论，即当电流密度下降时，输出电压高，电压损失小，电池发电效率高，燃料消耗少，也即运行成本较低。

但有一个问题要工程师特别注意，那就是功率密度将会随着电流密度下降而下降，并进一步造成燃料动力电池利用率下降，负载功率不变时要更大的燃料动力电池，这会让设备成本增大。反之，选择工作电流密皮大，则燃料动力电池利用率高，减少设备投资成本，但是电流密度大将使得电压降增大，发电效率减小，运行成本新增。因此，工作点的选择是设备成本和运行成本的折中。

图3

低频纹波的抑制

假如想要让自己所设计的前级DC-DC变换器产品满足电动汽车的使用要求，还必须具备优秀的低频纹波抑制能力。在电动汽车的行驶过程中，燃料动力电池的动态响应重要通过调节燃料的流量来完成，所以受其机械装置的惯性的限制，响应速度很慢，不能适应负载的要求。

小型电动汽车的燃料动力电池在正常运行的前提下，其本身从空载到5kW满载切换和满载到空载切换时输出电压波形如下图图4所示，图4中所圈出的是负载变化时，电池的输出电压的变化。由图4可知，当电池负载从0加到满载时，输出电压会有个下降过程，经过大概0.5s后回到新的稳态，而当负载从满载减到0时，输出电压会上升，然后经过一个很长的时间（3s左右）达到另一个稳态。

图4

所以，当电动汽车的燃料动力电池能效输出存在低频电流纹波时，根据燃料动力电池的输出特性，燃料动力电池的输出电压和输出功率也相应地有波动。而由于调节速度慢，燃料流量必须设置到峰值功率所对应的流量值，在峰值功率之外的工作点上，燃料的利用率就会下降。与此同时，这些电流纹波还将在内阻上出现纹波电压以及附加损耗。

除了上面所提到的几个不利因素之外，还有一个问题也是低频纹波所造成的，那就是对逆变系统的不利影响。在燃料动力电池并网发电系统中，由于是逆变系统，本身将在逆变器的输入侧引入一个与电网频率有关的低频电流谐波。这个电流谐波实际上可以等效为周期性突变的负载，假如谐波幅值很大，那么给电池带来不利的影响，所以在前级DC-DC变换器的设计过程中，工程师必须采取一定的方法对其进行抑制。