基于DSP控制的燃料電池客車(chē)用DC/DC變換器研究

0 引言
能源短缺及環(huán)境污染的問(wèn)題成為當今世界迫切需要解決的綜合問(wèn)題，而傳統的汽車(chē)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(chē)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(guò)DC/DC變換器將燃料電池的電壓變換后給主驅動(dòng)電機及其控制系統，滿(mǎn)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)現數字化控制、通訊和保護的可靠穩定的DC/DC變換器的研制就成為迫切的需求。
近年來(lái)DSP技術(shù)的日臻完善，標志著(zhù)數字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著(zhù)一次重大的技術(shù)變革。因此，針對燃料電池客車(chē)專(zhuān)用大功率DC/DC變換器數字化技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出國產(chǎn)的專(zhuān)用數字化大功率DC/DC變換器，對我國的電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展和普及，將具有十分重要的理論意義和工程應用價(jià)值。

l DC/DC變換器主電路構成
變換器主電路是基礎，直接影響到DC/DC變換器的性能。DC/DC變換器主電路結構簡(jiǎn)單；工作效率高，顯著(zhù)提高整車(chē)的經(jīng)濟性；且自身工作頻率高，具有高響應速度，易于實(shí)現復雜多變的輸入輸出特性，可以滿(mǎn)足不同控制策略的要求。所以，燃料電池客車(chē)用功率混合轉換裝置放棄了全橋式逆變的主電路拓撲結構而選用Boost和Buck型主電路拓撲。
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(chē)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(jiǎn)單分析其工作原理：當開(kāi)關(guān)管S導通時(shí)，電流Iin流過(guò)電感L，電流線(xiàn)性增加，電能以磁能形式儲存在電感線(xiàn)圈中。此時(shí)，電容C放電，負載上流過(guò)電流Io并在其兩端形成輸出電壓Vo，極性上正下負。因為開(kāi)關(guān)管S導通，二極管D陽(yáng)極接負極，D承受反壓，所以電容不能通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電。開(kāi)關(guān)管S由導通變?yōu)榻刂箷r(shí)，電感L中的磁場(chǎng)將改變線(xiàn)圈L兩端的電壓極性，以保持Iin的不變。這樣磁能轉化成的電壓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Vo有降低趨勢時(shí)，電容向負載放電，維持Vo不變。由于VL+VFC向負載供電時(shí)，V。高于VFC，從而有了升壓的結果。

2 基于TMS320LF2407A的控制電路硬件設計
采用數字信號處理器作為開(kāi)關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過(guò)多、電路可靠性差、電路復雜等缺點(diǎn)，還可以解決單片集成控制器不靈活的弱點(diǎn)；而且DSP數字處理器具有工作頻率高、指令周期短和改進(jìn)的總線(xiàn)結構等優(yōu)點(diǎn)，具有強大的數字處理功能。
TMS320LF2407A是德州儀器(TI)公司24X系列DSP控制器的成員，它在電機的數字化方面已經(jīng)得到了廣泛的應用，通過(guò)編程和外部電路的配合，完傘能夠實(shí)現燃料電池用大功率DC/DC變換器的數字化。圖3為控制系統的功能框圖，控制系統以TMS320LF2407A為核心，通過(guò)外部附加電路來(lái)實(shí)現系統所需要的各項控制功能：
(1)通過(guò)濾波電路對傳感器輸入信號進(jìn)行處理，然后由ADC采樣電路進(jìn)行數字采樣并送入中央處理器：
(2)由TMS320LF2407A直接生成PWM控制信號，經(jīng)過(guò)隔離驅動(dòng)放大后來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷；
(3)利用處理器內部的I/O口來(lái)實(shí)現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(kāi)關(guān)控制等；
(4)通過(guò)CAN2.0控制器與整車(chē)控制器進(jìn)行遠程通訊與控制。

燃料電池客車(chē)數據采樣電路的目的是獲取系統的輸出電壓、電流控制反饋信號；功率器件的溫度、電流、電壓保護反饋信號。信號傳輸給控制板通過(guò)TMS320LF2407A內部集成的10位精度的帶內置采樣/保持的模數轉換模塊(ADC)后進(jìn)行數據運算和邏輯判斷。該10位ADC是高速ADC，最小轉換時(shí)間可達到500ns，對于20～50kHz的開(kāi)關(guān)電源來(lái)講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了 DC/DC變換器的高速響應時(shí)間。
在DC/DC運行過(guò)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；電路出現短路；IGBT和功率二極管過(guò)流；散熱器過(guò)熱等。對于以上異常狀態(tài)，都從硬件電路上給予充分設計并采取相應的保護措施。

3 控制系統軟件設計
控制系統負責整個(gè)變換過(guò)程的控制和通訊，實(shí)現過(guò)程的數字化。燃料電池客車(chē)用大功率DC/DC變換器的控制軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編制，在完成其控制功能的同時(shí)，力求程序結構合理簡(jiǎn)單，以適應大功率開(kāi)關(guān)電源對控制系統的穩定性和可靠性的要求。
3.1 軟件的整體結構
控制軟件主要包括以下幾個(gè)部分：采樣處理環(huán)節；由采樣值來(lái)計算輸出脈寬，并根據此值調整輸出的PWM脈沖寬度；CAN通訊來(lái)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；故障處理及保護功能程序?？刂葡到y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(guò)程利用中斷的方式來(lái)進(jìn)行處理，如PWM波形的調制等需要進(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(lái)處理。另外CAN通訊程序也采用中斷服務(wù)程序來(lái)處理，根據接收到的信息來(lái)決定具體的工作模式和工作參數并對變換過(guò)程進(jìn)行調整。
3.2 數字PlD控制簡(jiǎn)要設計
PID控制具有結構簡(jiǎn)單、參數易于調整等優(yōu)點(diǎn)，因而在連續系統控制技術(shù)中得到廣泛的應用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合進(jìn)行控制的方法，其控制規律為

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

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，計算誤差或精度不足時(shí)對系統影響小，累計誤差同樣也比較小，而且在每次重新啟動(dòng)時(shí)，可以在原來(lái)的基礎上進(jìn)行控制，減少系統的響應時(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，使系統的可靠性大大提高。
對于本系統，PID控制器的參數主要是通過(guò)試驗來(lái)確定。系統的采樣周期就是DC/DC的開(kāi)關(guān)周期，根據前一個(gè)周期的采樣值來(lái)計算下個(gè)周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷就必須進(jìn)行一次計算。PID的算法嵌套在A(yíng)DC的中斷處理程序之中。
3.3 可編程數字化輸入輸出特性控制
燃料電池客車(chē)用大功率DC/DC變換器輸入電壓范圍大約在IOOV左右，需要設定輸入欠壓保護，防止燃料電池電壓過(guò)低導致故障。基于欠壓保護程序實(shí)時(shí)高速采樣對達到欠壓點(diǎn)后進(jìn)行功率限制，保證燃料電池正常工作，同時(shí)可以根據燃料電池和整車(chē)需求的變化進(jìn)行數字化設置。
DC/DC變換器輸出特性要與電機控制器、動(dòng)力電池的正常工作范圍匹配，又要配合整車(chē)控制器(ECU)復雜的控制策略。所以輸出特性設計為恒壓限流和恒流限壓兩種模式，如圖5所示。由ECU通過(guò)CAN發(fā)送給定值，兩種特性可以在發(fā)送一個(gè)CAN控制指令周期內切換，實(shí)現了可編程的輸出特性控制。

4 試驗結果及技術(shù)參數
整個(gè)實(shí)驗系統由所研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機用90 kW Boost DC/DC變換器、100 kW燃料電池模擬裝置、電機及其控制器、PC機以及數字示波器等測試設備組成。變換器的IGBT開(kāi)關(guān)電壓波形，PWM驅動(dòng)波形的測試結果如圖6所示，從波形中可以看出，Boost變換器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)電壓和驅動(dòng)波形均較理想，變換器的開(kāi)關(guān)功率損耗較小。

系統的輸出響應曲線(xiàn)如圖7所示，從圖7中可以看到，系統的輸出電壓從380V降到340V只需要不到200ms的時(shí)間，響應速度較快、超調量小且穩態(tài)控制精度較高。
燃料電池發(fā)動(dòng)機用90 kW Boost DC/DC變換器技術(shù)參數如下：
(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(guò)CAN通訊實(shí)現具有可編程的外特性控制，即恒壓限流、恒流限壓；
(7)系統的自主控制與整車(chē)控制器(ECU)控制兩種控制方式隨意切換。

5 結語(yǔ)
所研制的燃料電池客車(chē)用數字化90 kWBoosl DC/DC變換器采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管，具有較高的效率和可靠性；控制系統采用數字處理芯片和數字控制技術(shù)，具有很高的實(shí)時(shí)性和良好的可編程控制功能，滿(mǎn)足了整車(chē)復雜的控制要求；整機采用模塊化方式，可以和整車(chē)進(jìn)行可靠的通訊，人機交互性好。該變換器已經(jīng)成功地應用在國內第一輛燃料電池城市客車(chē)上，各項技術(shù)指標均滿(mǎn)足使用要求。