基于DSP控制的燃料電池客車用DC/DC變換器研究

0 引言
能源短缺及環(huán)境污染的問題成為當(dāng)今世界迫切需要解決的綜合問題，而傳統(tǒng)的汽車工業(yè)便是能源與環(huán)境最大殺手之一，發(fā)展清潔、高效的汽車新動(dòng)力能源已成為十分緊迫的任務(wù)。燃料電池(Fuel Cell)就是這樣一種綠色能源技術(shù)。為了改善燃料電池較“軟”的輸出特性，通過DC/DC變換器將燃料電池的電壓變換后給主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，滿足它們輸入特性的要求，這樣就使得燃料電池輸出特性變“硬”，并且匹配了變換器的輸出阻抗，所以具有良好控制特性，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制、通訊和保護(hù)的可靠穩(wěn)定的DC/DC變換器的研制就成為迫切的需求。
近年來DSP技術(shù)的日臻完善，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著一次重大的技術(shù)變革。因此，針對(duì)燃料電池客車專用大功率DC/DC變換器數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出國產(chǎn)的專用數(shù)字化大功率DC/DC變換器，對(duì)我國的電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，將具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

l DC/DC變換器主電路構(gòu)成
變換器主電路是基礎(chǔ)，直接影響到DC/DC變換器的性能。DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)簡單；工作效率高，顯著提高整車的經(jīng)濟(jì)性；且自身工作頻率高，具有高響應(yīng)速度，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多變的輸入輸出特性，可以滿足不同控制策略的要求。所以，燃料電池客車用功率混合轉(zhuǎn)換裝置放棄了全橋式逆變的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而選用Boost和Buck型主電路拓?fù)洹?BR> DC/DC變換器按功能可分為：升壓變換器(Boosf Conventer)、降壓變換器(Buck converter)和升降壓變換器(Boost-Buck converter)，在燃料電池汽車中主要采用升壓或降壓變換器，其原理圖如圖I和圖2所示。

以圖2 Boost變換器為例，簡單分析其工作原理：當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電流Iin流過電感L，電流線性增加，電能以磁能形式儲(chǔ)存在電感線圈中。此時(shí)，電容C放電，負(fù)載上流過電流Io并在其兩端形成輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。因?yàn)殚_關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D陽極接負(fù)極，D承受反壓，所以電容不能通過開關(guān)管放電。開關(guān)管S由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，電感L中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持Iin的不變。這樣磁能轉(zhuǎn)化成的電壓V1與電源電壓VFC串聯(lián)，以高于Vo的電壓向電容C、負(fù)載供電。高于Vo時(shí)，電容C有充電電流；等于Vo時(shí)，充電電流為零；當(dāng)Vo有降低趨勢(shì)時(shí)，電容向負(fù)載放電，維持Vo不變。由于VL+VFC向負(fù)載供電時(shí)，V。高于VFC，從而有了升壓的結(jié)果。

2 基于TMS320LF2407A的控制電路硬件設(shè)計(jì)
采用數(shù)字信號(hào)處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，還可以解決單片集成控制器不靈活的弱點(diǎn)；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短和改進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的數(shù)字處理功能。
TMS320LF2407A是德州儀器(TI)公司24X系列DSP控制器的成員，它在電機(jī)的數(shù)字化方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，通過編程和外部電路的配合，完傘能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池用大功率DC/DC變換器的數(shù)字化。圖3為控制系統(tǒng)的功能框圖，控制系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)控制功能：
(1)通過濾波電路對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行處理，然后由ADC采樣電路進(jìn)行數(shù)字采樣并送入中央處理器：
(2)由TMS320LF2407A直接生成PWM控制信號(hào)，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)放大后來控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；
(3)利用處理器內(nèi)部的I/O口來實(shí)現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等；
(4)通過CAN2.0控制器與整車控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊與控制。

燃料電池客車數(shù)據(jù)采樣電路的目的是獲取系統(tǒng)的輸出電壓、電流控制反饋信號(hào)；功率器件的溫度、電流、電壓保護(hù)反饋信號(hào)。信號(hào)傳輸給控制板通過TMS320LF2407A內(nèi)部集成的10位精度的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷。該10位ADC是高速ADC，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到500ns，對(duì)于20～50kHz的開關(guān)電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了 DC/DC變換器的高速響應(yīng)時(shí)間。
在DC/DC運(yùn)行過程中，可能會(huì)發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件損壞等原因，造成DC/DC不工作；電路出現(xiàn)短路；IGBT和功率二極管過流；散熱器過熱等。對(duì)于以上異常狀態(tài)，都從硬件電路上給予充分設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)變換過程的控制和通訊，實(shí)現(xiàn)過程的數(shù)字化。燃料電池客車用大功率DC/DC變換器的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時(shí)，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)大功率開關(guān)電源對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求。
3.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)
控制軟件主要包括以下幾個(gè)部分：采樣處理環(huán)節(jié)；由采樣值來計(jì)算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM脈沖寬度；CAN通訊來接受控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值、溫度、狀態(tài)碼等信息；中斷服務(wù)程序；故障處理及保護(hù)功能程序。控制系統(tǒng)初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。

為了提高軟件的運(yùn)行效率，把不需要及時(shí)處理的部分放在主程序里而，而把一些需要及時(shí)處理的控制過程利用中斷的方式來進(jìn)行處理，如PWM波形的調(diào)制等需要進(jìn)行周期處理的工作和必須進(jìn)行及時(shí)處理的工作利用中斷方式來處理。另外CAN通訊程序也采用中斷服務(wù)程序來處理，根據(jù)接收到的信息來決定具體的工作模式和工作參數(shù)并對(duì)變換過程進(jìn)行調(diào)整。
3.2 數(shù)字PlD控制簡要設(shè)計(jì)
PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，因而在連續(xù)系統(tǒng)控制技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進(jìn)行控制的方法，其控制規(guī)律為

式中：K為比例系數(shù)；
e為電壓偏差信號(hào)；
Ti為積分時(shí)間常數(shù)；
Td為微分時(shí)間常數(shù)；
uo為初始值。
由于數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，在式(10中的積分和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為

式中：T為采樣周期。
由式(2)可以看出，增量式算法只需要保存前三個(gè)時(shí)刻的偏差值，占用空間小，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響小，累計(jì)誤差同樣也比較小，而且在每次重新啟動(dòng)時(shí)，可以在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)也避免了因偶然因素造成控制器的輸出做大幅度的劇烈變化，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。
對(duì)于本系統(tǒng)，PID控制器的參數(shù)主要是通過試驗(yàn)來確定。系統(tǒng)的采樣周期就是DC/DC的開關(guān)周期，根據(jù)前一個(gè)周期的采樣值來計(jì)算下個(gè)周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷就必須進(jìn)行一次計(jì)算。PID的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。
3.3 可編程數(shù)字化輸入輸出特性控制
燃料電池客車用大功率DC/DC變換器輸入電壓范圍大約在IOOV左右，需要設(shè)定輸入欠壓保護(hù)，防止燃料電池電壓過低導(dǎo)致故障。基于欠壓保護(hù)程序?qū)崟r(shí)高速采樣對(duì)達(dá)到欠壓點(diǎn)后進(jìn)行功率限制，保證燃料電池正常工作，同時(shí)可以根據(jù)燃料電池和整車需求的變化進(jìn)行數(shù)字化設(shè)置。
DC/DC變換器輸出特性要與電機(jī)控制器、動(dòng)力電池的正常工作范圍匹配，又要配合整車控制器(ECU)復(fù)雜的控制策略。所以輸出特性設(shè)計(jì)為恒壓限流和恒流限壓兩種模式，如圖5所示。由ECU通過CAN發(fā)送給定值，兩種特性可以在發(fā)送一個(gè)CAN控制指令周期內(nèi)切換，實(shí)現(xiàn)了可編程的輸出特性控制。

4 試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)參數(shù)
整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由所研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用90 kW Boost DC/DC變換器、100 kW燃料電池模擬裝置、電機(jī)及其控制器、PC機(jī)以及數(shù)字示波器等測(cè)試設(shè)備組成。變換器的IGBT開關(guān)電壓波形，PWM驅(qū)動(dòng)波形的測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從波形中可以看出，Boost變換器開關(guān)管的開關(guān)電壓和驅(qū)動(dòng)波形均較理想，變換器的開關(guān)功率損耗較小。

系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖7所示，從圖7中可以看到，系統(tǒng)的輸出電壓從380V降到340V只需要不到200ms的時(shí)間，響應(yīng)速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制精度較高。
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用90 kW Boost DC/DC變換器技術(shù)參數(shù)如下：
(1)輸入電壓 DC≤350V：
(2)輸出電壓 DC350～450V：
(3)輸出電流 200～250 A；
(4)額定功率點(diǎn)效率 ≥97％：
(5)輸出紋波 ≤l％：
(6)通過CAN通訊實(shí)現(xiàn)具有可編程的外特性控制，即恒壓限流、恒流限壓；
(7)系統(tǒng)的自主控制與整車控制器(ECU)控制兩種控制方式隨意切換。

5 結(jié)語
所研制的燃料電池客車用數(shù)字化90 kWBoosl DC/DC變換器采用IGBT作為功率開關(guān)管，具有較高的效率和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，具有很高的實(shí)時(shí)性和良好的可編程控制功能，滿足了整車復(fù)雜的控制要求；整機(jī)采用模塊化方式，可以和整車進(jìn)行可靠的通訊，人機(jī)交互性好。該變換器已經(jīng)成功地應(yīng)用在國內(nèi)第一輛燃料電池城市客車上，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足使用要求。