燃料電池車(chē)載大功率DC/DC變換器

1，前言

　　DC/DC變換器是燃料電池車(chē)動(dòng)力系統中一個(gè)重要部分。主要功能是把不可調的直流電源變?yōu)榭烧{的直流電源。如何有效地控制變換器的各個(gè)參數，不僅關(guān)系到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常運行，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可靠的運行[3]。燃料電池的輸出特性偏軟，難以直接與電動(dòng)機驅動(dòng)器匹配，其電流-電壓特性曲線(xiàn)如圖1所示。在燃料電池加負載的起始階段，電壓Ufc下降較快，隨著(zhù)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；對于某特定負載，輸出功率的波動(dòng)會(huì )導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)能源驅動(dòng)結構

　　與傳統汽車(chē)一樣，燃料電池汽車(chē)也必須具有很強的機動(dòng)性，以便對不同的路況及時(shí)做出相應的反應，為滿(mǎn)足機動(dòng)性的要求，燃料電池汽車(chē)驅動(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，反面影響其機動(dòng)性能。因此，若以燃料電池作為電源直接驅動(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(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構成。Q1和Q2為PWM工作方式，互補導通，有死區時(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)值出現了正負交替變化，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。由于Q1是在D1續流期間導通的，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?！　　?br />
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(dòng) 　　　　　

圖5　 能量從V2向V1方向流動(dòng)　　　　　　　　　　

圖6 交替工作方式　　　　　　　　　　　　　　

　　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(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)控制器的準確運行?？刂茊卧c輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構成DC/DC變換器的總體硬件電路。其系統結構圖如圖7所示?！　?/p>

圖7 DC/DC變換器系統結構圖　

　　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(chē)用微控制器領(lǐng)域的優(yōu)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。并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(guò)復位期間采集BKGD、MODB、MODA三個(gè)引腳的狀態(tài)來(lái)實(shí)現[5]。增強了應用的可選擇性?？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)議翻譯指令對燃料電池電堆提取相應的功率，并將通過(guò)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(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)控制信號指令做出相應的動(dòng)作，對燃料電池提取功率。

　　CAN通訊接口硬件設計如圖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以提高系統的抗干擾能力。

　　3.3 DC/DC變換器低端高端電壓電流測量

　　對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據，并上傳CAN網(wǎng)絡(luò )做為整車(chē)控制的重要參考數據。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，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，當被測電壓低于500V時(shí)，將電壓傳感器直接掛接到被測母線(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之一，因此為DC/DC變換器設置了溫度傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)檢測溫度，當散熱器不能滿(mǎn)足其散熱要求時(shí)，根據溫度傳感器采集的溫度量來(lái)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇，并以溫度為依據設定風(fēng)扇的轉速大小。溫度檢測采用的是美DALLAS半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數字式溫度傳感器DS18B20。它的測量范圍為﹣50℃到﹢125℃，精度可達0.1℃，不需要A/D轉換，直接將溫度值轉換為數字量。DS18B20嚴格的遵守單線(xiàn)串行通信協(xié)議，每一個(gè)DS18B20在出廠(chǎng)時(shí)都用激光進(jìn)行調校，并具有唯一的64位序列號。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DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現。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)暫存存儲器(4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(48H)、溫度轉換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

　　4,DC/DC變換器的軟件設計

　　軟件設計的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機應用開(kāi)發(fā)的軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專(zhuān)家庫、全芯片仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調試器。其調試方式為BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一種系統調試方式，具備基本的調試功能，包括資源訪(fǎng)問(wèn)及運行控制，與指令掛牌及斷點(diǎn)邏輯配合就可以實(shí)現很多重要的開(kāi)發(fā)功能。

　　4.1 DC/DC變換器工作模式

　　DC/DC變換器設計三種工作模式，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，需要根據工作方式制定協(xié)議，并規定每上傳比特位的意義，DC/DC變換器則根據相應的協(xié)議向整車(chē)CAN網(wǎng)上傳數據，整車(chē)控制器則從CAN網(wǎng)上采集相應的數據按協(xié)議翻譯并參與控制策略運算。DC/DC變換器的協(xié)議包括上傳數據協(xié)議和接受數據協(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)數據供主程序使用，并在定時(shí)中斷中定時(shí)上傳數據，每100ms上傳一幀數據,采用CAN2.0 通訊協(xié)議，29位ID，每幀8個(gè)字節數據量通訊方式。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　5,結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：以飛思卡爾單片機MC9S12D64做為控制單元設計成的燃料電池車(chē)載DC/DC變換器。經(jīng)上車(chē)實(shí)驗具有如下創(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，可靠穩定，適應燃料電池車(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)境下正常運行。③采用數字溫度傳感器DS18B20檢測散熱器溫度，使溫度檢測系統結構簡(jiǎn)單，抗干擾能力強，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。