燃料電池混合動(dòng)力汽車可調(diào)雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)

王召杰，賓 洋，2，羅文廣*，趙紹偉，劉德成

（1．廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054）

0 引言

目前，全球能源與環(huán)境問題日漸突出，世界各國都在積極尋求解決方案，特別是在新能源領(lǐng)域.我國新能源汽車產(chǎn)銷規(guī)模全球領(lǐng)先，過去幾年里連續(xù)成為全球新能源汽車產(chǎn)銷第一大國，而這一趨勢還在呈螺旋式遞增.新能源汽車類型之一的燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）與傳統(tǒng)汽車相比，可以實(shí)現(xiàn)0排放，減少污染，降低了氣體的排放，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲.因此，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源與環(huán)境問題的理想方案之一[1-3].單向DC/DC變換器是單向?qū)?，只能?shí)現(xiàn)能量的單向流動(dòng)，不能反向工作，但是在燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，需要DC/DC變換器能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng).如果用單向DC/DC變換器搭建，則需要兩個(gè)變換器反向并聯(lián)重新組合，這樣就涉及電路復(fù)雜、體積變大、成本高等問題，因此，需選用雙向DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng).雙向DC/DC變換器又分為隔離型和非隔離型，一般來說，隔離型的原邊和副邊都有電感繞組，而非隔離型的只有單個(gè)電感[4].在大功率和對地線干擾防護(hù)要求比較高的時(shí)候使用隔離型，在比較簡單和體積要求比較緊張的場合使用非隔離型.由于本次設(shè)計(jì)的變換器應(yīng)用場景為燃料電池混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，因此，最終選用非隔離型雙向Buck/Boost變換器作為電路的主拓?fù)?，設(shè)計(jì)了燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的電流/電壓可調(diào)雙向DC/DC變換器.為了提高雙向DC/DC變換器的性能，對元器件參數(shù)進(jìn)行選型，并且對硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、工作效率高、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能好等要求，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

圖1為典型的燃料電池混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，本文所討論的，即為圖中的雙向DC/DC變換器.當(dāng)汽車突然啟動(dòng)、加速時(shí)，雙向DC/DC變換器以Boost模式工作，超級電容提供瞬時(shí)需求功率；當(dāng)剎車或制動(dòng)時(shí)，雙向DC/DC變換器以Buck模式工作，可以將產(chǎn)生的多余能量存儲起來[5-6].雙向DC/DC變換器是燃料電池和動(dòng)力電池以及超級電容之間能量轉(zhuǎn)換的橋梁，可以優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的能量分配，提高燃料電池汽車的整體效率.

雙向Buck/Boost變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，通過兩個(gè)功率開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通來進(jìn)行工作.當(dāng)變換器工作在Buck模式時(shí)，能量由V2流向V1，此時(shí)功率開關(guān)管S2處于導(dǎo)通狀態(tài)，S1處于截止?fàn)顟B(tài)，D1和D2在變換器工作中充當(dāng)續(xù)流二極管的作用；當(dāng)變換器工作在Boost模式時(shí)，能量從V1流向V2，此時(shí)功率開關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，S2處于截止?fàn)顟B(tài).雙向Buck/Boost變換器體現(xiàn)出了電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力最小的優(yōu)勢，工作時(shí)開關(guān)的損耗比較小，與其他類型的變換器相比，具有較高的工作效率.

圖3為雙向Buck/Boost變換器工作狀態(tài)圖，圖3中的（a）和（b）為Buck/Boost變換器降壓工作時(shí)的電路圖，此時(shí)開關(guān)管S1處于工作狀態(tài)，開關(guān)管S2處于截止?fàn)顟B(tài)，通過改變S1的導(dǎo)通時(shí)間來控制變換器的輸出電壓V1.當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，V2將會給電感充電，電感的電流上升，同時(shí)給負(fù)載和電容C1供電；當(dāng)開關(guān)管S1截止時(shí)，電感的電流不能立即衰減為零，而是通過負(fù)載和續(xù)流二極管D2續(xù)流，電容C2給負(fù)載供電.

圖3中的（c）和（d）為Buck/Boost變換器升壓工作時(shí)的電路圖，此時(shí)開關(guān)管S2處于工作狀態(tài)，開關(guān)管S1處于截止?fàn)顟B(tài)，通過改變S2的導(dǎo)通時(shí)間來控制變換器的輸出電壓V2.當(dāng)開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)，V1給電感L充電，電感的電流線性上升，負(fù)載由電容C2供電；當(dāng)開關(guān)管S2截止時(shí)，電感的電流不能發(fā)生突變，電感產(chǎn)生了反向電壓，二極管D1導(dǎo)通，電感電流通過二極管給電容充電.

圖1 氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)Fig.1 Hydrogen fuel cell hybrid power system

圖2 雙向Buck/Boost變換器電路拓?fù)鋱DFig.2 Circuit topology of bidirectional Buck/Boost converter

圖3 雙向Buck/Boost變換器工作狀態(tài)圖Fig.3 The working state diagram of the bidirectional Buck/Boost converter

2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

通過分析變換器的工作原理可知，變換器共有兩種工作方式，即正向升壓和反向降壓.為了使變換器的每種工作狀態(tài)都能在最優(yōu)狀態(tài)，應(yīng)分別計(jì)算不同工作狀態(tài)下的電路參數(shù).根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定了表1的相關(guān)參數(shù).

表1 雙向DC/DC變換器參數(shù)Tab.1 Specifications of bidirectional DC/DC converter

2.1 開關(guān)元器件的選擇

設(shè)計(jì)的變換器采用MOSFET為開關(guān)元器件.MOSFET一般選用N溝道，因?yàn)樵谙嗤闆r下，N溝道MOSFET比P溝道MOSFET通態(tài)電阻小而且開關(guān)速度更快[7].由變換器的原理可知，S1和S2承受的最大電壓為60 V，考慮到電壓的波動(dòng)等其他因素，額定電壓的選擇應(yīng)留有20%～30%的余量，即MOSFET的額定電壓應(yīng)至少大于72 V，或者更高.變換器的最大工作電流為50 A，一般允許紋波電流為10%～20%，所以流過MOSFET的最大電流為55A.

對于MOSFET的選取主要考慮如下幾個(gè)因素：漏極擊穿電壓VDS，最大漏極電流ID，通態(tài)電阻RDS(on)，開通時(shí)間ton，關(guān)斷時(shí)間toff[7-8]，綜合考慮，采用可以滿足參數(shù)設(shè)計(jì)要求的型號為IRF2807Z的開關(guān)管作為變換器的功率元器件.表2為該開關(guān)管的規(guī)格參數(shù).

表2 開關(guān)管IRF2807Z規(guī)格參數(shù)Tab.2 Specifications of the switch IRF2807Z

2.2 儲能電感的設(shè)計(jì)

如圖2所示，電感L和電容C1、C2連接于輸入端和負(fù)載之間，形成了輸入端和輸出端的LC濾波電路，可以減小輸出電壓的紋波.在設(shè)計(jì)電感時(shí)，主要考慮臨界電感大小，確保變換器可以工作在電流連續(xù)狀態(tài)，還要考慮電感所承受的最小電流和輸出紋波大小[8].

占空比D越小臨界負(fù)載電流IOB就越大，最小負(fù)載電流IOmin也就越大，所以應(yīng)取最小占空比D=0.2時(shí)的臨界負(fù)載電流.

將設(shè)計(jì)參數(shù)代入上式，得到L≥19.2μH；同理，可計(jì)算變換器在Boost模式下連續(xù)工作時(shí)結(jié)果相同.為了保證在最小負(fù)載電流和最小占空比時(shí)，電感電流連續(xù)，以及根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常取1.2～1.4倍的計(jì)算值，最后取L=22μH.

2.3 濾波電容的設(shè)計(jì)

LC濾波電路的截止頻率為fC，變換器的諧波頻率為fS，為了使濾波效果更好，則需要較大的諧波衰減倍數(shù)，那么fC要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于fS.又因L和C越大，濾波效果越好.出于成本和實(shí)際情況的考慮，電容值不可能取很大，一般根據(jù)電壓紋波的大小來計(jì)算輸出濾波電容.

在一個(gè)工作周期中，C1的充電電荷

理論上電容值越大越好，這里取輸出電容C1=40μF，同理可計(jì)算得出電容C2=1200μF.電容的類型選擇瓷片電容，介質(zhì)是瓷片，介質(zhì)損耗小，適合于高頻電路，但是因?yàn)橄鄬γ娣e小，所以容量一般都不大，可采用電容并聯(lián)方式.

3 雙向DC/DC變換器控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是DC/DC變換器的重要組成部分[9]，是直接影響整個(gè)變換器能否正常工作的關(guān)鍵.控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，它主要由MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、PWM信號產(chǎn)生電路、電流檢測電路、電壓反饋電路等部分組成，圖4為雙向DC/DC變換器控制電路結(jié)構(gòu)圖.

本文設(shè)計(jì)的電流/電壓可調(diào)雙向DC/DC變換器主要有兩種工作模式，分別是電流模式和電壓模式，可以根據(jù)需要切換到相應(yīng)的模式.電流模式和電壓模式是控制電源輸出的兩種不同控制方式[10].圖5為雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制原理圖.

圖4 雙向DC/DC變換器控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control circuit structure of bidirectional DC/DC converter

電壓模式是指當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化、以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時(shí)，控制電路將檢測被控制的電壓及電流信號，將它們與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，然后將差值放大進(jìn)行閉環(huán)反饋控制以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開關(guān)頻率，從而保證系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定.電壓模式的工作過程：電壓恒定不變，電流則從0到滿量程變化，在這種情況下，DC/DC變換器將電壓控制到一個(gè)不變的輸出值，同時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況調(diào)節(jié)電流的變化.

圖5 雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of double closed-loop control of bidirectional DC/DC converter

電流模式不但包含電壓反饋， 而且包含電感電流反饋.電流模式的工作過程：將輸出電流調(diào)節(jié)并限定到需要的值.當(dāng)電源按電流模式工作時(shí)，無論負(fù)載變化引起電壓如何變化，包括短路、電流都是恒定不變的.這兩種模式可以用來控制電源的連續(xù)輸出，但不能同時(shí)使用，但這兩種模式可以根據(jù)需要進(jìn)行切換.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，主要對DC/DC變換器的電壓模式的閉環(huán)調(diào)節(jié)、電流模式的閉環(huán)調(diào)節(jié)、采集和實(shí)際測試的誤差進(jìn)行測試和分析.

4.1 電壓模式測試

在電壓閉環(huán)的調(diào)試時(shí)，上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送所需電壓值的信號給DC/DC變換器，DC/DC變換器的內(nèi)部通過閉環(huán)的調(diào)節(jié)使輸出電壓達(dá)到指定的電壓值，這個(gè)過程是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，具有調(diào)節(jié)時(shí)間快，輸出穩(wěn)定的特點(diǎn).圖6是輸出電壓值從0～60 V的變化曲線，分別選取了17 V、22 V、27 V、35 V、40 V、45 V、50 V、55 V等設(shè)定電壓值進(jìn)行測試，整個(gè)過程是通過DC/DC變換器內(nèi)部的閉環(huán)控制進(jìn)行的調(diào)節(jié).從圖6中可以看出，電壓的數(shù)值依次發(fā)生變化，并且可以保證穩(wěn)定地輸出.

圖6 電壓上升變化曲線Fig.6 Variation curve of voltage rise

4.2 電流模式測試

上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送所需電壓值的信號給DC/DC變換器，DC/DC變換器的內(nèi)部通過PI的調(diào)節(jié)使輸出電流的值達(dá)到指定值.在設(shè)定電流值固定時(shí)，在允許范圍內(nèi)改變輸出功率，電流值不發(fā)生變化，電流設(shè)定值可以實(shí)時(shí)設(shè)定，這個(gè)過程是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，具有調(diào)節(jié)時(shí)間快，并且穩(wěn)定輸出的特點(diǎn).

圖7的測試情況為：負(fù)載電阻為1.5 Ω，依次增加電流設(shè)定值，測試增大電流設(shè)定值的有效性和穩(wěn)定性.改變電流設(shè)定值依次為18 A、20 A、23 A、25 A，輸出電壓依次升高.從圖7測試數(shù)據(jù)的曲線可以看出：由于負(fù)載為固定阻值，隨著設(shè)定電流的增加，電壓隨之增加，在固定電流設(shè)定值的時(shí)間內(nèi)，輸出電流可以保持穩(wěn)定，表明電流輸出的穩(wěn)定性和有效性.

圖7 輸出電壓和電流變化曲線Fig.7 Output voltage and current curve

圖8的測試情況為：負(fù)載電阻為1.5 Ω，依次減小電流設(shè)定值，測試減小電流設(shè)定值的有效性和穩(wěn)定性.改變電流設(shè)定值依次為30 A、25 A、20 A，輸出電壓依次降低.從圖8測試數(shù)據(jù)的曲線可以看出：由于負(fù)載為固定阻值，隨著設(shè)定電流的減小，電壓隨之減小，在固定電流設(shè)定值的時(shí)間內(nèi)，輸出電流可以保持穩(wěn)定，表明電流輸出的穩(wěn)定性和有效性.

圖8 輸出電壓和電流變化曲線Fig.8 Output voltage and current curve

4.3 電壓和電流的調(diào)節(jié)時(shí)間

電壓和電流的調(diào)節(jié)時(shí)間是DC/DC變換器主要指標(biāo)參數(shù)之一[11]，是反映系統(tǒng)響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合指標(biāo).調(diào)節(jié)時(shí)間表現(xiàn)為控制系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量從原穩(wěn)定狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的最短時(shí)間.

圖9是輸出電壓值從30 V變換至40 V的變化曲線，這個(gè)過程是通過DC/DC變換器內(nèi)部的閉環(huán)控制進(jìn)行的調(diào)節(jié).可以從圖9中看出：從穩(wěn)定的30 V變換至40 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4 s左右，并且可以保證穩(wěn)定地輸出.

圖10是輸出電流值從17.5 A變換至21.5 A的變化曲線，這個(gè)過程是通過DC/DC變換器內(nèi)部的閉環(huán)控制進(jìn)行的調(diào)節(jié).從圖10中可以看出：從穩(wěn)定的17.5 A變換至21.5 A，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4 s左右，并且可以保證電流穩(wěn)定地輸出.

圖9 輸出電壓響應(yīng)變化曲線Fig.9 Response curve of output voltage

圖10 輸出電流響應(yīng)變化曲線Fig.10 Response curve of output current

4.4 誤差分析

通過測試對DC/DC變換器電流和電壓的設(shè)定值、測量值和采集值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.設(shè)定值是通過設(shè)置DC/DC變換器所需要輸出的電壓或電流值；采集值是通過采集系統(tǒng)采集到的電壓或電流值；測量值是DC/DC變換器實(shí)際輸出的電壓或電流值.在同一電流或電壓值下進(jìn)行比較，來進(jìn)行誤差分析.

1）電壓誤差分析

圖11為不同電壓值下，設(shè)定值、采集值以及測量值的變化曲線，從圖11中可以看出這3個(gè)值之間存在一定誤差.經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理和分析，電壓的誤差值約為0.8 V，電壓誤差在合理的誤差范圍內(nèi).

2）電流誤差分析

圖12為不同電流值下，設(shè)定值、采集值以及測量值的變化曲線，從圖12中可以看出這3個(gè)值之間存在一定誤差.經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理和分析，電流的誤差值約1～2A，電流誤差在合理的誤差范圍內(nèi).

圖11 電壓設(shè)定值和測量值以及采集值曲線Fig.11 Curve of voltage set value and measured value and acquired value

圖12 電流設(shè)定值和測量值以及采集值曲線Fig.12 Curve of current set value and measured value and acquired value

4.5 轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率是衡量DC/DC變換器性能的重要指標(biāo)之一，在不同功率下加載對DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測試，通過計(jì)算DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率.測試數(shù)據(jù)如表3所示.由表3可知，該DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了預(yù)期的參數(shù)要求.

表3 DC/DC變換器轉(zhuǎn)換效率Tab.3 DC/DC converter conversion efficiency

5 結(jié)論

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)了雙向DC/DC變換器，并根據(jù)實(shí)際的需求參數(shù)設(shè)計(jì)了硬件電路.通過實(shí)驗(yàn)測試，該DC/DC變換器在功能上完全滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能的要求，可以實(shí)現(xiàn)1 600 W的額定工作功率，具有輸出電壓/電流可調(diào)節(jié)、控制精度高、響應(yīng)速度快、效率高等特點(diǎn)，滿足了實(shí)際應(yīng)用的性能需求.