燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

DC/DC變換器是燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)中一個(gè)重要部分。主要功能是把不可調(diào)的直流電源變?yōu)榭烧{(diào)的直流電源。如何有效地控制變換器的各個(gè)參數(shù)，不僅關(guān)系到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常運(yùn)行，而且也關(guān)系到整個(gè)燃料電池轎車的動(dòng)力性能、能源利用效率及其他控制系統(tǒng)可靠的運(yùn)行^[3]。燃料電池的輸出特性偏軟，難以直接與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器匹配，其電流-電壓特性曲線如圖1所示。在燃料電池加負(fù)載的起始階段，電壓U_fc下降較快，隨著負(fù)載的增加，電流增大，電壓下降，下降的斜率比普通電池大得多，故燃料電池的輸出特性相對(duì)較軟；對(duì)于某特定負(fù)載，輸出功率的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致燃料電池效率下降。

圖1 燃料電池電流-電壓特性曲線

圖2 燃料電池車能源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)汽車一樣，燃料電池汽車也必須具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，以便對(duì)不同的路況及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，為滿足機(jī)動(dòng)性的要求，燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)所需功率會(huì)有較大的波動(dòng)，這與燃料電池的輸出特性偏軟是相矛盾的。另一方面，燃料電池的輸出功率若波動(dòng)較大，其效率會(huì)大大下降，反面影響其機(jī)動(dòng)性能。因此，若以燃料電池作為電源直接驅(qū)動(dòng)，一方面輸出特性偏軟，另一方面燃料電池的輸出電壓較低，在燃料電池與汽車驅(qū)動(dòng)之間加入DC/DC變換器，燃料電池和DC/DC變換器共同組成電源對(duì)外供電如圖2所示，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定、可控的直流電源。合理的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)對(duì)燃料電池車顯的尤為重要。

2,DC/DC基本硬件電路及工作原理

DC/DC變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可以分為沒(méi)有電氣隔離和有電器隔離的直流變化器兩類。按工作電路區(qū)分有降壓式（BUCK），升壓式（BOOST），升降壓式（BUCK/BOOST），庫(kù)克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六種^[1]。設(shè)計(jì)采用沒(méi)有隔離的雙向Zeta-Sepic直流變換器電路，工作原理電路圖如圖3所示。

主電路由兩開(kāi)關(guān)管Q₁和Q₂，兩二極管D₁和D₂構(gòu)成。Q₁和Q₂為PWM工作方式，互補(bǔ)導(dǎo)通，有死區(qū)時(shí)間。變換器輸出與輸入電壓間的關(guān)系為V₂／V₁=D_y／(1-D_y),式中，D_y為

圖3 雙向Zeta-Sepic直流變換器設(shè)計(jì)電路圖

圖 4 能量從V1向V2流動(dòng)

圖5 能量從V2向V1方向流動(dòng)

圖6 交替工作方式

Q₂的占空比。圖4為能量從V₁向V₂方向流動(dòng)時(shí)電感電流波形，因D_y＞0.5，故V₂＞V₁，I₁＞I₂，I₁為電源電流平均值，I₂為輸出電流平均值。并且I_L1＞I_L2，I_L1和I_L2為電感電流平均值。電容C₁電壓V_C1為V_C1=V_C2，不論能量流動(dòng)方向如何，電容C₁電壓極性總是左負(fù)右正。功率器件承受的電壓V_Q=V_D=V₁+V₂=V₁／(1-D_y)，開(kāi)關(guān)管Q₁和二極管D₂電流平均值I_Q1和I_D2關(guān)系為I_Q1=I_L1=I₁，I_D2=I_L2=I₂。能量傳輸方向相反時(shí)，電流波形如圖5所示，圖6是交替工作方式的一種情形，因Q₁的占空比D_y＞0.5，V₂＞V₁，I₁＞I₂，故I_L1＞I_L2，i_L1的瞬時(shí)值都大于零，i_L2的瞬時(shí)值出現(xiàn)了正負(fù)交替變化，i_Q1和i_Q2的瞬時(shí)值也交替變化，4個(gè)器件輪流導(dǎo)通^[2]。在t=0～t₁期間D₁續(xù)流，t₁～t_on期間Q₁導(dǎo)通，t_on～t₃期間D₂續(xù)流，t₃～T期間Q₂導(dǎo)通。由于Q₁是在D₁續(xù)流期間導(dǎo)通的，故Q₁為零電壓開(kāi)通，同理Q₂亦為零電壓開(kāi)通，由圖6知兩電感電流平均值I_L1和I_L2均大于零，故這種情況下平均能量是從V₁向V₂方向傳輸。

3,DC/DC變換器控制單元和輔助單元電路設(shè)計(jì)

Zeta-Sepic電路是DC/DC變換器的核心組件，車載DC/DC變換器除此外還包括

控制單元和輔助單元電路，其性能直接影響Zeta-Sepic電路的工作質(zhì)量和整車控制器的準(zhǔn)確運(yùn)行。控制單元與輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構(gòu)成DC/DC變換器的總體硬

圖7 DC/DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

件電路。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3.1控制單元

控制單元選用單片機(jī)MC9S12D64，它延續(xù)了飛思卡爾半導(dǎo)體在車用微控制器領(lǐng)域的優(yōu)良傳統(tǒng)，是以速度更快的S12內(nèi)核（Star Core）為核心的單片機(jī)MC9S12系列的成員，管腳兼容，存儲(chǔ)器可以得到升級(jí)。并且片內(nèi)有多種外圍設(shè)備可供選擇。 MC9S12D64共有8種工作模式，模式的設(shè)定通過(guò)復(fù)位期間采集BKGD、MODB、MODA三個(gè)引腳的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)^[5]。增強(qiáng)了應(yīng)用的可選擇性。控制單元通過(guò)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)接受整車控制器的指令，按照協(xié)議翻譯指令對(duì)燃料電池電堆提取相應(yīng)的功率，并將通過(guò)傳感器檢測(cè)到的DC/DC變換器的高低端的電流電壓值按照協(xié)議上傳CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)讀取溫度傳感器的值，根據(jù)要求適時(shí)的啟動(dòng)散熱風(fēng)扇。

3.2CAN通訊硬件接口電路

做為燃料電池車的DC/DC變換模塊，須參與整車的通訊和控制，通過(guò)接受整車控制信號(hào)指令做出相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)燃料電池提取功率。

CAN通訊接口硬件設(shè)計(jì)如圖8所示，其中82C250是CAN控制器和物理總線間的接口^[4]，它和CAN控制器之間采用光隔P113以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。