燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設(shè)計與應用

1，前言

DC/DC變換器是燃料電池車動力系統(tǒng)中一個重要部分。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參數(shù)，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)系到整個燃料電池轎車的動力性能、能源利用效率及其他控制系統(tǒng)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(qū)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U_fc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；對于某特定負載，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(qū)動結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換成穩(wěn)定、可控的直流電源。合理的DC/DC變換器的設(shè)計對燃料電池車顯的尤為重要。

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(qū)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(shè)計采用沒有隔離的雙向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(guān)管Q₁和Q₂，兩二極管D₁和D₂構(gòu)成。Q₁和Q₂為PWM工作方式，互補導通，有死區(qū)時間。變換器輸出與輸入電壓間的關(guān)系為V₂／V₁=D_y／(1-D_y),式中，D_y為                                               

圖3 雙向Zeta-Sepic直流變換器設(shè)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的占空比。圖4為能量從V₁向V₂方向流動時電感電流波形，因D_y＞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I_L1＞I_L2，I_L1和I_L2為電感電流平均值。電容C₁電壓V_C1為V_C1=V_C2，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V_Q=V_D=V₁+V₂=V₁／(1-D_y)，開關(guān)管Q₁和二極管D₂電流平均值I_Q1和I_D2關(guān)系為I_Q1=I_L1=I₁，I_D2=I_L2=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的占空比D_y＞0.5，V₂＞V₁，I₁＞I₂，故I_L1＞I_L2，i_L1的瞬時值都大于零，i_L2的瞬時值出現(xiàn)了正負交替變化，i_Q1和i_Q2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(xù)流，t₁～t_on期間Q₁導通，t_on～t₃期間D₂續(xù)流，t₃～T期間Q₂導通。由于Q₁是在D₁續(xù)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I_L1和I_L2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

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(zhì)量和整車控制器的準確運行?？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     

 圖7   DC/DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

件電路。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xù)了飛思卡爾半導體在車用微控制器領(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MC9S12系列的成員，管腳兼容，存儲器可以得到升級。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)定通過復位期間采集BKGD、MODB、MODA三個引腳的狀態(tài)來實現(xiàn)^[5]。增強了應用的可選擇性?？刂茊卧ㄟ^CAN通訊網(wǎng)絡(luò)接受整車控制器的指令，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)。同時讀取溫度傳感器的值，根據(jù)要求適時的啟動散熱風扇。

3.2CAN通訊硬件接口電路

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通訊接口硬件設(shè)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控制器之間采用光隔P113以提高系統(tǒng)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。被測母線通過分流，將電流以比例衰減到電流傳感器的輸入范圍內(nèi)，并通過車用微控制器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，將電壓傳感器直接掛接到被測母線上，通過控制器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(shè)置了溫度傳感器，來實時檢測溫度，當散熱器不能滿足其散熱要求時，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度量來啟動散熱風扇，并以溫度為依據(jù)設(shè)定風扇的轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換，直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。DS18B20嚴格的遵守單線串行通信協(xié)議，每一個DS18B20在出廠時都用激光進行調(diào)校，并具有唯一的64位序列號。這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。

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(xiàn)。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳過ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暫存器指令分別為：寫暫存存儲器(4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(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

軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境為Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機應用開發(fā)的軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)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(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，包括資源訪問及運行控制，與指令掛牌及斷點邏輯配合就可以實現(xiàn)很多重要的開發(fā)功能。

4.1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器設(shè)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，使能成功后即進入正常工作模式，在正常工作模式下可對DC/DC變換器進行提取功率操作。DC/DC的控制單元如果檢測到故障，將使DC/DC變換器進入故障模式，此時整車控制器指令對DC/DC變換器的操作無效。

4.2DC/DC變換器工作協(xié)議

作為燃料電池車的電壓變換器，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)相應的協(xié)議向整車CAN網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，整車控制器則從CAN網(wǎng)上采集相應的數(shù)據(jù)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(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，并在定時中斷中定時上傳數(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個字節(jié)數(shù)據(jù)量通訊方式。

5,結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點：以飛思卡爾單片機MC9S12D64做為控制單元設(shè)計成的燃料電池車載DC/DC變換器經(jīng)上車實驗具有如下創(chuàng)新點：          

①DC/DC電路采用沒有隔離的雙向Zeta-Sepic            直流變換器電路，可靠穩(wěn)定，適應燃料電池車的工作要求。②采用車用微控制器MC9SD64為DC/DC變換器的控制單元，提高了現(xiàn)場的抗干擾能力，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(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測散熱器溫度，使溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，精度高；④利用CAN總線與整車CAN網(wǎng)通訊，與整車通訊協(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。