燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設計與應用

1，前言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188801.htm

DC/DC變換器是燃料電池車動力系統中一個重要部分。主要功能是把不可調的直流電源變為可調的直流電源。如何有效地控制變換器的各個參數，不僅關係到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常運行，而且也關係到整個燃料電池轎車的動力性能、能源利用效率及其他控制系統可靠的運行[3]。燃料電池的輸出特性偏軟，難以直接與電動機驅動器匹配，其電流-電壓特性曲線如圖1所示。在燃料電池加負載的起始階段，電壓Ufc下降較快，隨著負載的增加，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較軟；對於某特定負載，輸出功率的波動會導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 燃料電池車能源驅動結構

與傳統汽車一樣，燃料電池汽車也必須具有很強的機動性，以便對不同的路況及時做出相應的反應，為滿足機動性的要求，燃料電池汽車驅動所需功率會有較大的波動，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較大，其效率會大大下降，反面影響其機動性能。因此，若以燃料電池作為電源直接驅動，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動之間加入DC/DC變換器，燃料電池和DC/DC變換器共同組成電源對外供電如圖2所示，從而轉換成穩定、可控的直流電源。合理的DC/DC變換器的設計對燃料電池車顯的尤為重要。

2,DC/DC基本硬體電路及工作原理

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。按工作電路區分有降壓式（BUCK），升壓式（BOOST），升降壓式（BUCK/BOOST），庫克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六種[1]。設計採用沒有隔離的雙向Zeta-Sepic直流變換器電路，工作原理電路圖如圖3所示。

主電路由兩開關管Q1和Q2，兩二極體D1和D2構成。Q1和Q2為PWM工作方式，互補導通，有死區時間。變換器輸出與輸入電壓間的關係為V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy為

圖3 雙向Zeta-Sepic直流變換器設計電路圖

圖 4 能量從V1向V2流動

圖5 能量從V2向V1方向流動

圖6 交替工作方式

Q2的佔空比。圖4為能量從V1向V2方向流動時電感電流波形，因Dy＞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。並且IL1＞IL2，IL1和IL2為電感電流平均值。電容C1電壓VC1為VC1=VC2，不論能量流動方向如何，電容C1電壓極性總是左負右正。功率器件承受的電壓VQ=VD=V1+V2=V1／(1-Dy)，開關管Q1和二極體D2電流平均值IQ1和ID2關係為IQ1=IL1=I1，ID2=IL2=I2。能量傳輸方向相反時，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的佔空比Dy＞0.5，V2＞V1，I1＞I2，故IL1＞IL2，iL1的瞬時值都大於零，iL2的瞬時值出現了正負交替變化，iQ1和iQ2的瞬時值也交替變化，4個器件輪流導通[2]。在t=0～t1期間D1續流，t1～ton期間Q1導通，ton～t3期間D2續流，t3～T期間Q2導通。由於Q1是在D1續流期間導通的，故Q1為零電壓開通，同理Q2亦為零電壓開通，由圖6知兩電感電流平均值IL1和IL2均大於零，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計

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電路的工作質量和整車控制器的準確運行。控制單元與輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構成DC/DC變換器的總體硬

圖7 DC/DC變換器系統結構圖

件電路。其系統結構圖如圖7所示。

3.1控制單元

控制單元選用單片機MC9S12D64，它延續了飛思卡爾半導體在車用微控制器領域的優良傳統，是以速度更快的S12內核（Star Core）為核心的單片機MC9S12系列的成員，管腳兼容，存儲器可以得到升級。並且片內有多種外圍設備可供選擇。 MC9S12D64共有8種工作模式，模式的設定通過復位期間採集BKGD、MODB、MODA三個引腳的狀態來實現[5]。增強了應用的可選擇性。控制單元通過CAN通訊網絡接受整車控制器的指令，按照協議翻譯指令對燃料電池電堆提取相應的功率，並將通過傳感器檢測到的DC/DC變換器的高低端的電流電壓值按照協議上傳CAN通訊網絡。同時讀取溫度傳感器的值，根據要求適時的啟動散熱風扇。

3.2CAN通訊硬體接口電路

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，通過接受整車控制信號指令做出相應的動作，對燃料電池提取功率。

CAN通訊接口硬體設計如圖8所示，其中82C250是CAN控制器和物理總線間的接口[4]，它和CAN控制器之間採用光隔P113以提高系統的抗幹擾能力。