燃料电池车载大功率DCDC变换器

燃料电池车载大功率DC/DC变换器

DC/DC变换器是燃料电池车动力系统中一个重要部分。主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。如何有效地控制变换器的各个参数，不仅关系到FCE（FuelCellEngineer）和BMU（BatteryManagementUnit）的正常运行，而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统可靠的运行[3]。燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电动机驱动器匹配，其电流-电压特性曲线如图1所示。在燃料电池加负载的起始阶段，电压Ufc下降较快，随着负载的增加，电流增大，电压下降，下降的斜率比普通电池大得多，故燃料电池的输出特性相对较软；对于某特定负载，输出功率的波动会导致燃料电池效率下降。

图1燃料电池电流-电压特性曲线

图2燃料电池车能源驱动结构

与传统汽车一样，燃料电池汽车也必须具有很强的机动性，以便对不同

的路况及时做出相应的反应，为满足机动性的要求，燃料电池汽车驱动所需功率

会有较大的波动，这与燃料电池的输出特性偏软是相矛盾的。另一方面，燃料电池的输出功率若波动较大，其效率会大大下降，反面影响其机动性能。因此，若以燃料电池作为电源直接驱动，一方面输出特性偏软，另一方面燃料电池的输出电压较低，在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC变换器，燃料电池和DC/DC变换器共同组成电源对外供电如图2所示，从而转换成稳定、可控的直流电源。合理的DC/DC变换器的设计对燃料电池车显的尤为重要。

2,DC/DC基本硬件电路及工作原理

DC/DC变换器按输入与输出间是否有电气隔离可以分为没有电气隔离

和有电器隔离的直流变化器两类。按工作电路区分有降压式（BUCK），升压式（BOOST），升降压式（BUCK/BOOST），库克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六种[1]。设计采用没有隔离的双向Zeta-Sepic直流变换器电路，工作原理电路图如图3所示。

主电路由两开关管Q1和Q2，两二极管D1和D2构成。Q1和Q2为

PWM工作方式，互补导通，有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy为Q2的占空比。图4为能量从V1向V2方向流动时电感电流波形，因Dy＞0.5，故V2＞V1，I1＞I2，I1为电源电流平均值，I2为输出电流平均值。并且IL1＞IL2，IL1和IL2为电感电流平均值。电容C1电压VC1为VC1=VC2，不论能量流动方向如何，电容C1电压极性总是左负右正。功率器件承受的电压VQ=VD=V1+V2=V1／(1-Dy)，开关管Q1和二极管D2电流平均值IQ1和ID2关系为IQ1=IL1=I1，ID2=IL2=I2。能量传输方向相反时，电流波形如图5所示，图6是交替工作方式的一种情形，因Q1的占空比Dy＞0.5，V2＞V1，I1＞I2，故IL1＞IL2，iL1的瞬时值都大于零，iL2的瞬时值出现了正负交替变化，iQ1和iQ2的瞬时值也交替变化，4个器件轮流导通[2]。在t=0～t1期间D1续流，t1～ton期间Q1导通，ton～t3期间D2续流，t3～T期间Q2导通。由于Q1是在D1续流期间导通的，故Q1为零电压开通，同理Q2亦为零电压开通，由图6知两电感电流平均值IL1和IL2均大于零，故这种情况下平均能量是从V1向V2方向传输。

图3双向Zeta-Sepic直流变换器设计电路图

图4能量从V1向V2流动

图5能量从V2向V1方向流动

图6交替工作方式

3,DC/DC变换器控制单元和辅助单元电路设计

Zeta-Sepic电路是DC/DC变换器的核心组件，车载DC/DC变换器

除此外还包括控制单元和辅助单元电路，其性能直接影响Zeta-Sepic电路的工作质量和整车控制器的准确运行。控制单元与辅助单元电路同Zeta-Sepic一同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图7所示。

图7DC/DC变换器系统结构图

3.1控制单元

控制单元选用单片机MC9S12D64，它延续了飞思卡尔半导体在车用

微控制器领域的优良传统，是以速度更快的S12内核（StarCore）为核心的单片机MC9S12系列的成员，管脚兼容，存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。MC9S12D64共有8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现[5]。增强了应用的可选择性。控制单元通过CAN通讯网络接受整车控制器的指令，按照协议翻译指令对燃料电池电堆提取相应的功率，并将通过传感器检测到的DC/DC变换器的高低端的电流电压值按照协议上传CAN通讯网络。同时读取温度传感器的值，根据要求适时的启动散热风扇。

3.2CAN通讯硬件接口电路

做为燃料电池车的DC/DC变换模块，须参与整车的通讯和控制，通过

接受整车控制信号指令做出相应的动作，对燃料电池提取功率。

CAN通讯接口硬件设计如图8所示，其中82C250是CAN控制器和

物理总线间的接口[4]，它和CAN控制器之间采用光隔P113以提高系统的抗

干扰能力。

3.3DC/DC变换器低端高端电压电流测量

对DC/DC变换器的高端低端电压电流进行采样，作为控制DC/DC变

换器功率的回馈参考数据，并上传CAN网络做为整车控制的重要参考数据。高端和低端的电流采样用传感器WBV151S07,为电压隔离传感器，输入范围为0～75mV,输出为0～5V，供电为±12V。被测母线通过分流，将电流以比例衰减到电流传感器的输入范围内，并通过车用微控制器MC9S12D64的AD采样传感器的输出端。

高端和低端的电压采样用传感器WBV151S01，当被测电压低于500V

时，将电压传感器直接挂接到被测母线上，通过控制器AD采样接口读取传感器输出端的值。

3.4温度传感器

车载DC/DC变换器为大功率器件，散热是重要性能指标之一，因此为

DC/DC变换器设置了温度传感器，来实时检测温度，当散热器不能满足其散热要求时，根据温度传感器采集的温度量来启动散热风扇，并以温度为依据设定风扇的转速大小。温度检测采用的是美DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20。它的测量范围为﹣50℃到﹢125℃，精度可达0.1℃，不需要A/D转换，直接将温度值转换为数字量。DS18B20严格的遵守单线串