燃料電池車(chē)載大功率DCDC變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1，前言

DC/DC變換器是燃料電池車(chē)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(chē)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(xiàn)如圖1所示。在燃料電池加負(fù)載的起始階段，電壓Ufc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(xiàn)            

圖2  燃料電池車(chē)能源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)汽車(chē)一樣，燃料電池汽車(chē)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(mǎn)足機(jī)動(dòng)性的要求，燃料電池汽車(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)。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=Dy／(1-Dy),式中，Dy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。并且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(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VQ=VD=V1+V2=V1／(1-Dy)，開(kāi)關(guān)管Q1和二極管D2電流平均值IQ1和ID2關(guān)系為IQ1=IL1=I1，ID2=IL2=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Dy＞0.5，V2＞V1，I1＞I2，故IL1＞IL2，iL1的瞬時(shí)值都大于零，iL2的瞬時(shí)值出現(xiàn)了正負(fù)交替變化，iQ1和iQ2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～ton期間Q1導(dǎo)通，ton～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IL1和IL2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(chē)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(chē)控制器的準(zhǔn)確運(yùn)行?？刂茊卧c輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構(gòu)成DC/DC變換器的總體硬件電路。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。    

圖7  DC/DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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(chē)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?？刂茊卧ㄟ^(guò)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)接受整車(chē)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(chē)的DC/DC變換模塊，須參與整車(chē)的通訊和控制，通過(guò)接受整車(chē)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(xiàn)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。   

圖8  CAN通訊接口硬件電路設(shè)計(jì)

3.3 DC/DC變換器低端高端電壓電流測(cè)量

對(duì)DC/DC變換器的高端低端電壓電流進(jìn)行采樣，作為控制DC/DC變換器功率的回饋參考數(shù)據(jù)，并上傳CAN網(wǎng)絡(luò)做為整車(chē)控制的重要參考數(shù)據(jù)。高端和低端的電流采樣用傳感器WBV151S07,為電壓隔離傳感器，輸入范圍為0～75mV,輸出為0～5V，供電為±12V。被測(cè)母線(xiàn)通過(guò)分流，將電流以比例衰減到電流傳感器的輸入范圍內(nèi)，并通過(guò)車(chē)用微控制器MC9S12D64的AD采樣傳感器的輸出端。

高端和低端的電壓采樣用傳感器WBV151S01，當(dāng)被測(cè)電壓低于500V時(shí)，將電壓傳感器直接掛接到被測(cè)母線(xiàn)上，通過(guò)控制器AD采樣接口讀取傳感器輸出端的值。

3.4溫度傳感器

車(chē)載DC/DC變換器為大功率器件，散熱是重要性能指標(biāo)之一，因此為DC/DC變換器設(shè)置了溫度傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，當(dāng)散熱器不能滿(mǎn)足其散熱要求時(shí)，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度量來(lái)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇，并以溫度為依據(jù)設(shè)定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小。溫度檢測(cè)采用的是美DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。它的測(cè)量范圍為﹣50℃到﹢125℃，精度可達(dá)0.1℃，不需要A/D轉(zhuǎn)換，直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。DS18B20嚴(yán)格的遵守單線(xiàn)串行通信協(xié)議，每一個(gè)DS18B20在出廠時(shí)都用激光進(jìn)行調(diào)校，并具有唯一的64位序列號(hào)。這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因。

工作中控制單元對(duì)DS18B20的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳過(guò)ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暫存器指令分別為：寫(xiě)暫存存儲(chǔ)器(4EH)、讀暫存存儲(chǔ)器(BEH)、復(fù)制暫存存儲(chǔ)器(48H)、溫度轉(zhuǎn)換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

4,DC/DC變換器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專(zhuān)家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。其調(diào)試方式為BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一種系統(tǒng)調(diào)試方式，具備基本的調(diào)試功能，包括資源訪問(wèn)及運(yùn)行控制，與指令掛牌及斷點(diǎn)邏輯配合就可以實(shí)現(xiàn)很多重要的開(kāi)發(fā)功能。

4.1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器設(shè)計(jì)三種工作模式，使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC處于未被啟動(dòng)狀況，需要將其引出的兩使能腳短路使其使能成功，使能成功后即進(jìn)入正常工作模式，在正常工作模式下可對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行提取功率操作。DC/DC的控制單元如果檢測(cè)到故障，將使DC/DC變換器進(jìn)入故障模式，此時(shí)整車(chē)控制器指令對(duì)DC/DC變換器的操作無(wú)效。

4.2DC/DC變換器工作協(xié)議

作為燃料電池車(chē)的電壓變換器，需要根據(jù)工作方式制定協(xié)議，并規(guī)定每上傳比特位的意義，DC/DC變換器則根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議向整車(chē)CAN網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，整車(chē)控制器則從CAN網(wǎng)上采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)按協(xié)議翻譯并參與控制策略運(yùn)算。DC/DC變換器的協(xié)議包括上傳數(shù)據(jù)協(xié)議和接受數(shù)據(jù)協(xié)議。

4.3流程圖

如圖9所示，為DC/DC變換器的工作主流程圖，此外，在CAN中斷處理程序中，按協(xié)議接受CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)供主程序使用，并在定時(shí)中斷中定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，每100ms上傳一幀數(shù)據(jù),采用CAN2.0 通訊協(xié)議，29位ID，每幀8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)量通訊方式。

圖9  主流程圖

5,結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以飛思卡爾單片機(jī)MC9S12D64做為控制單元設(shè)計(jì)成的燃料電池車(chē)載DC/DC變換器經(jīng)上車(chē)實(shí)驗(yàn)具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：          

①DC/DC電路采用沒(méi)有隔離的雙向Zeta-Sepic 直流變換器電路，可靠穩(wěn)定，適應(yīng)燃料電池車(chē)的工作要求。②采用車(chē)用微控制器MC9SD64為DC/DC變換器的控制單元，提高了現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾能力，確保DC/DC變換器在電磁環(huán)境較為惡劣，電磁干擾因素居多環(huán)境下正常運(yùn)行。③采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)散熱器溫度，使溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高；④利用CAN總線(xiàn)與整車(chē)CAN網(wǎng)通訊，與整車(chē)通訊協(xié)議匹配，保證通信流暢，提高了DC/DC變換器的通信的抗干擾能力。