燃料电池车载大功率DC/DC变换器的设计与应用

1，前言

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（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）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U_fc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=D_y／(1-D_y),式中，D_y为                                               

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                        

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D_y＞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I_L1＞I_L2，I_L1和I_L2为电感电流平均值。电容C₁电压V_C1为V_C1=V_C2，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V_Q=V_D=V₁+V₂=V₁／(1-D_y)，开关管Q₁和二极管D₂电流平均值I_Q1和I_D2关系为I_Q1=I_L1=I₁，I_D2=I_L2=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D_y＞0.5，V₂＞V₁，I₁＞I₂，故I_L1＞I_L2，i_L1的瞬时值都大于零，i_L2的瞬时值出现了正负交替变化，i_Q1和i_Q2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～t_on期间Q₁导通，t_on～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I_L1和I_L2均大于零，故这种情况下平均能量是从V₁向V₂方向传输。                         

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     

 图7   DC/DC变换器系统结构图

件电路。其系统结构图如图7所示。

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（Star Core）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。                  

3.3 DC/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严格的遵守单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行调校，并具有唯一的64位序列号。这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

工作中控制单元对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为：读ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳过ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暂存器指令分别为：写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。

4,DC/DC变换器的软件设计

软件设计的开发环境为Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12为CPU的单片机应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其调试方式为BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一种系统调试方式，具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合就可以实现很多重要的开发功能。

4.1 DC/DC变换器工作模式

DC/DC变换器设计三种工作模式，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处于未被启动状况，需要将其引出的两使能脚短路使其使能成功，使能成功后即进入正常工作模式，在正常工作模式下可对DC/DC变换器进行提取功率操作。DC/DC的控制单元如果检测到故障，将使DC/DC变换器进入故障模式，此时整车控制器指令对DC/DC变换器的操作无效。

4.2DC/DC变换器工作协议

作为燃料电池车的电压变换器，需要根据工作方式制定协议，并规定每上传比特位的意义，DC/DC变换器则根据相应的协议向整车CAN网上传数据，整车控制器则从CAN网上采集相应的数据按协议翻译并参与控制策略运算。DC/DC变换器的协议包括上传数据协议和接受数据协议。
4.3流程图

如图9所示，为DC/DC变换器的工作主流程图，此外，在CAN中断处理程序中，按协议接受CAN网数据供主程序使用，并在定时中断中定时上传数据，每100ms上传一帧数据,采用CAN2.0 通讯协议，29位ID，每帧8个字节数据量通讯方式。

5,结束语

本文作者创新点：以飞思卡尔单片机MC9S12D64做为控制单元设计成的燃料电池车载DC/DC变换器经上车实验具有如下创新点：          

①DC/DC电路采用没有隔离的双向Zeta-Sepic            直流变换器电路，可靠稳定，适应燃料电池车的工作要求。②采用车用微控制器MC9SD64为DC/DC变换器的控制单元，提高了现场的抗干扰能力，确保DC/DC变换器在电磁环境较为恶劣，电磁干扰因素居多环境下正常运行。③采用数字温度传感器DS18B20检测散热器温度，使温度检测系统结构简单，抗干扰能力强，精度高；④利用CAN总线与整车CAN网通讯，与整车通讯协议匹配，保证通信流畅，提高了DC/DC变换器的通信的抗干扰能力。