雙向DC-DC變換器技術(shù)的燃料電池汽車輔助動力系統(tǒng)

李晨

（中通客車股份有限公司 山東省聊城市 252000）

燃料電池汽車的發(fā)展源于能源短缺問題，依托燃料電池技術(shù)的優(yōu)勢，可以轉(zhuǎn)變對傳統(tǒng)能源的需求，進一步拓展燃料電池的應(yīng)用范圍，因此該領(lǐng)域也受到社會的廣泛關(guān)注。我國早在“十五”期間便開始致力于推動燃料電池汽車的研發(fā)，并將其作為改善環(huán)境污染危機和能源危機的首要任務(wù)。目前，從燃料電池汽車技術(shù)來看，燃料電池汽車仍處于突破階段，在技術(shù)上由于在汽車啟動及加速瞬間，會導(dǎo)致電壓的急劇下降，嚴重降低了燃料電池汽車的使用性能，加之燃料電池汽車工況復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換成為技術(shù)躍升的重要環(huán)節(jié)，而大功率雙向變換技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)燃料電池汽車動力系統(tǒng)效率最大化，幫助實現(xiàn)行駛過程中的能量回收，因此加強DC-DC變換器技術(shù)的研究與應(yīng)用，成為當前燃料電池汽車的關(guān)鍵領(lǐng)域。

1 雙向DC-DC變換器技術(shù)概述及發(fā)展現(xiàn)狀

在新能源應(yīng)用領(lǐng)域，燃料電池汽車屬于重要的構(gòu)成部分，具備了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢和特點，包括排放低、效率高、能源可再生等，在新能源汽車領(lǐng)域倍受關(guān)注和青睞。但在實際的研究及應(yīng)用過程中，仍然表現(xiàn)出顯著的缺點，即輸出疲軟、功率波動大等，導(dǎo)致燃料電池汽車的發(fā)展受限。隨著全新的變換器在該領(lǐng)域中的應(yīng)用，能夠顯著改善輸出特性不足的缺陷，具體來說包括三個方面的作用。首先，有助于靈活調(diào)節(jié)燃料電池輸出電壓；其次，實現(xiàn)燃料電池汽車的能量分配調(diào)節(jié)；最后，穩(wěn)定整車的直流總線電壓。此外，基于雙向DC-DC變換器技術(shù)的研究，還需要從儲能方式、拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法上進行認識。

1.1 儲能方式

現(xiàn)階段，超級電容、鉛酸電池及普通電容等，屬于燃料電池汽車中較為廣泛的儲能元件，利用對三種元件性能的橫向比較（如表1），可以直觀的了解不同元件的性能差異，其中超級電容的表現(xiàn)較為突出。事實上，關(guān)于超級電容的相關(guān)研究，早在上世紀七十年代便開始出現(xiàn)，也屬于當時的一種新型的儲能元件，其優(yōu)勢在于能夠擺脫傳統(tǒng)電容設(shè)計的局限，使電容量由微法拉級提升至法拉級，大幅提升了電容量性能，通過后續(xù)的持續(xù)深入研究，已經(jīng)可以實現(xiàn)萬法拉級乃至十萬法拉級的超級電容，極大豐富了在燃料電池汽車平臺中的應(yīng)用場景。

表1：不同儲能元件性能比較

根據(jù)各類參數(shù)的比較可知，超級電容展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，具體可以歸納為如下內(nèi)容：

（1）極高的功率密度，能夠適應(yīng)大電流應(yīng)用需求；

（2）保持較短的充電時間，在燃料汽車的應(yīng)用中，可以滿足汽車啟動、減速等能量釋放及回收需求；

（3）較長的循環(huán)使用壽命，以及高達100000次以上的循環(huán)次數(shù)，大幅降低了后續(xù)使用成本；

（4）所需要的制作材料環(huán)保，可以避免對環(huán)境的污染，具備可回收的優(yōu)點。

在燃料電池汽車的設(shè)計和應(yīng)用中，儲能元件及能量轉(zhuǎn)換方式的科學(xué)搭配，將是構(gòu)成穩(wěn)定動力系統(tǒng)的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)階段，燃料電池汽車以燃料電池作為主要儲能方式，能量存儲模塊以超級電容為核心，并與變換器及直流母線完成連接，最終實現(xiàn)燃料電池汽車輔助動力系統(tǒng)的并聯(lián)，當汽車在加速、剎車等操作中，實現(xiàn)功率的變換和能量的回流，在該輔助動力系統(tǒng)的應(yīng)用中，能夠有效縮減系統(tǒng)尺寸，并發(fā)揮出最佳的操作性能。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車輔助動力系統(tǒng)，旨在能夠幫助實現(xiàn)汽車性能的分配及能源的節(jié)約，因此變換器在燃料電池汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以大幅提升電池能量的利用率，在目前的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用中一般包括非隔離和隔離型兩類，其主要的區(qū)別在于隔離型引入高頻變壓器，該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成通常是全橋、半橋、推挽等電路拓撲構(gòu)成。同時，在相應(yīng)的設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)當盡量避免過度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以此來提升其實踐中的可靠性、效率性及響應(yīng)性，并且要滿足成本低、體積小、質(zhì)量輕、壽命長等特點。

比如，法國Belfort電力電子實驗中心針對于超級電容的研究，依托仿真實驗對雙向半橋式拓撲和全橋拓撲實施分析比較，全橋拓撲結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)較大的電壓變化，且與母線電壓變化范圍保持一致，然而其缺點在于功率器件較多，與非隔離雙向變換器相比，在效率方面存在不足。從當前的大量研究及實踐看，雙向半橋式拓撲結(jié)構(gòu)具備顯著優(yōu)勢，即能夠?qū)崿F(xiàn)更加便捷的結(jié)構(gòu)及控制，依托這些優(yōu)勢逐步獲得了燃料電動汽車領(lǐng)域的廣泛青睞，具有更大的研究空間及應(yīng)用前景。

1.3 控制方法

隨著城市的快速發(fā)展和變化，城市道路路況日益復(fù)雜，燃料電池汽車需要應(yīng)對的情境更加多元，需要具備更優(yōu)異的啟動、停止及加速性能。為了給予燃料電池汽車用戶更好的體驗，在變換器的設(shè)計思路上必須要突出對性能的要求，即要為燃料電池汽車動力控制系統(tǒng)，提供更加快速的穩(wěn)定輸出及動態(tài)響應(yīng)。從目前而言，單向DC-DC變換器仍然占據(jù)著市場主流，主要在于其技術(shù)更加成熟，因此即便雙向DC-DC變換器技術(shù)出現(xiàn)，也需要獲得市場的認可及檢驗。另外，雙向DC-DC變換器所具備的優(yōu)勢也不可替代，即可以提供正向或者反向工作模式，構(gòu)建了燃料電動汽車輔助動力的輸入多輸出系統(tǒng)，能夠有效地應(yīng)對不同的控制模式。

2 雙向DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)分析

2.1 雙向DC-DC變換器的設(shè)計

在于科學(xué)地設(shè)計雙向DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，用以適應(yīng)不同場景下的應(yīng)用需求。具體而言，可以從如下方面進行思考：

（1）受制于道路空間及行駛路況，燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)不能過大，必須掌握好相關(guān)器件的體積比例，使雙向DC-DC變換器及超級電容體積更加科學(xué)，并且還能夠發(fā)揮著燃料電池汽車足夠的功率輸出。

（2）由于超級電容是燃料電池汽車的主要輔助模塊，作用在于適應(yīng)汽車在不同工況下的啟動、加速及減速等操作，必須要避免在應(yīng)用過程中，出現(xiàn)超級電容電壓的大幅波動，因此需要合理控制雙向DC-DC變換器電壓的穩(wěn)定輸出，在此過程中完成對汽車動能的回流及儲存，以提升燃料電動汽車的能源利用率。由此可見，雙向DC-DC變換器還要適應(yīng)高壓大功率或者低壓大電流的需求，保持較大范圍的輸入輸出承受能力，使電壓、電流得到科學(xué)的控制。

（3）保持雙向DC-DC變換器較高的工作效率，最大程度提升燃料電池汽車的續(xù)航能力。

結(jié)合上述燃料電池汽車的要求，在變換器的設(shè)計上需要滿足實用性、便捷性及成本性等條件，這些均應(yīng)成為設(shè)計時考慮的重點內(nèi)容，以此來保證最佳的設(shè)計方案。由于受超級電容模塊及電機逆變器母線中，其電壓極性不可改變的特點影響，應(yīng)在實施設(shè)計時考慮直流電壓極性等因素，確保在需要時能夠自動對能量方向進行切換。

2.2 雙向DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)選擇

隔離型及非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)，通常屬于雙向DC-DC變換器的主要選擇形式，兩者最大差異在于隔離直流變換器輸入輸出端具有電氣隔離，而非隔離直流變換器則未設(shè)置。在燃料電池汽車雙向DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)選擇上，應(yīng)當依據(jù)其自身特點合理選擇和設(shè)計，尤其需要掌握其差異性（如表2、表3）。

表2：非隔離電源結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點

表3：隔離電源結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點

通過對雙向DC-DC變換器不同拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點比較，可以明確顯示出隔離拓撲結(jié)構(gòu)不符合設(shè)計要求，主要是其結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，且需要應(yīng)用大量的元器件及磁性元器件，體積上無法滿足實際應(yīng)用需求。由于現(xiàn)階段燃料電池汽車的續(xù)航能力，屬于該領(lǐng)域關(guān)注的焦點問題，這也要求雙向DC-DC變換器具備更高的工作效率，而通過兩種拓撲結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)來看，隔離型拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率較低，無法滿足具體的需求。從經(jīng)濟成本的角度來看，隔離型拓撲結(jié)構(gòu)具有成本高、體積大、設(shè)計復(fù)雜等缺陷，加之其通用性無法與非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)相比，其在大范圍的使用上呈現(xiàn)劣勢，因此非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)更適用于未來的燃料電池汽車發(fā)展。

2.3 雙向DC-DC變換器工作原理

基于雙向變換器設(shè)計特點，其電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇上，主要由升壓Boost電路和降壓Buck電路反并聯(lián)而成。在整體的電路設(shè)計上，其主要對兩個功率開關(guān)實施控制，旨在對不同工作模式進行管理和切換，如處于Boost模式時，開關(guān)動作的完成需要由管V完成，管V開關(guān)處于封鎖狀態(tài)；當在Buck模式時，開關(guān)動作的完成需要由管V完成，管V開關(guān)則處于封鎖狀態(tài)。

當在Boost模式工作時，管V開關(guān)截止，并控制管V開關(guān)的導(dǎo)通時間，用以完成對輸出端電壓流量控制，在V處于導(dǎo)通狀態(tài)下時，電感L兩端將由電壓U進行加載，線圈中有電感電流流過，未處于飽和狀態(tài)下的電感線圈，電感電流會以線性的方式逐步增加，以完成對電感的充電，負載放電由電容C同步進行。當管V開關(guān)斷開時，電感電流現(xiàn)由輸出測流出，此時的負載供電主要由輸入電壓與電壓電壓串聯(lián)共同實現(xiàn)，并且同步完成對C的充電，電感電流也呈現(xiàn)出線性減小狀態(tài)。

當雙向DC-DC變換器處于Buck模式時，管V開關(guān)將發(fā)揮主導(dǎo)調(diào)節(jié)作用，主要對輸出電壓實施控制和調(diào)節(jié)，而V則處于截止狀態(tài)，待管V處于導(dǎo)通狀態(tài)下，電感L兩端將由電壓U進行加載，線圈中有電感電流流過，并呈現(xiàn)出線性增加的狀態(tài)，并且由電動機制動時所產(chǎn)生的機構(gòu)能，逐步通過向電能的轉(zhuǎn)換并儲存于電感之中，實現(xiàn)對超級電容的充電。當管V開關(guān)斷開時，電感電流再向超級電容測流動，并呈現(xiàn)出線性減小狀態(tài)。

3 雙向DC-DC變換器參數(shù)設(shè)計研究

3.1 開關(guān)頻率

根據(jù)燃料電池汽車的發(fā)展趨勢，在雙向DC-DC變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇上，主要選取雙向半橋Buck-Boost結(jié)構(gòu)，選擇IGBT作為電路開關(guān)器件，其頻率取20KHz，此類元件的優(yōu)勢在于開關(guān)損耗小、速度快，有助于變換器性能的充分發(fā)揮。通常在特定的范疇下，開關(guān)頻率與其體積和重量成反比，即頻率越高則體積重量越小，可以為變換器的小型化提供支持。一般而言，雙向DC-DC變換器處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，其開關(guān)的每次動作均會產(chǎn)生相應(yīng)的損耗，因此其開關(guān)頻率越高，所產(chǎn)生的相對損耗也就越大，并且通常以熱能的形式釋放，從而導(dǎo)致元件及主體溫度的上升，最終會影響變換器整體性能的發(fā)揮，可見對開關(guān)頻率的控制屬于關(guān)鍵內(nèi)容。另外，變換器的工作噪聲往往也來源于開關(guān)頻率，這也需要合理設(shè)置開關(guān)的頻率，以保證變換器的整體性能。

3.2 電感參數(shù)計算

電感能量轉(zhuǎn)換過程屬于雙向DC-DC變換器的關(guān)鍵，在燃料電池汽車的應(yīng)用中，屬于極為重要的元件之一。它的特點在于可以在斷續(xù)狀態(tài)下工作，也可以在連續(xù)狀態(tài)下工作，若在斷續(xù)狀態(tài)則電感將呈現(xiàn)不完全供電模式，而在連續(xù)狀態(tài)下時，電感則可以靈活切換于完全供電和不完全供電兩種模式之間，同時斷續(xù)工作狀態(tài)時，電感體積、功率損耗及峰值等，均容易受到顯著的影響。因此，針對于雙向變換器的設(shè)計而言，電感參數(shù)的計算必須要以保重其在正反兩個方向，均可以實現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)下的工作，其臨界值計算公式如下：

3.3 電容參數(shù)計算

通過設(shè)計數(shù)據(jù)在公式中的代入，得到電容計算結(jié)果為2×10F，同時考慮在實際應(yīng)用中的負載變化問題，最終將濾波電容設(shè)計值確定為1000uF/450V。

3.4 IGBT參數(shù)計算

根據(jù)雙向半橋式BuckBoost拓撲結(jié)構(gòu)要求，其在燃料電池汽車中的應(yīng)用時，驅(qū)動電機的額定功率為3kw，因此變換器的峰值功率可達2P=6kw，逆變器的母線電壓U=300V，流過IGBT的峰值電流能夠達到Ppeak/V=20A。利用變換器的設(shè)計要求可知，當變換器開關(guān)導(dǎo)通或判斷狀態(tài)下，其電流往往會達到最大值，因而為實現(xiàn)各元件能夠處于安全的工作狀態(tài)，需要對各開關(guān)元件電流值預(yù)留一定的裕度，可以選擇50A電流額定值。反向并聯(lián)的二級管，為實現(xiàn)不同模式下各方向的功率開關(guān)需求，可以選擇與開關(guān)管功率相同的范圍。

4 雙向DC-DC變換器控制系統(tǒng)設(shè)計策略

4.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

為滿足燃料電池汽車的研發(fā)需求，雙向DC-DC變換器在設(shè)計中，需要明確硬件電路的設(shè)計思路，其拓撲結(jié)構(gòu)中包含主拓撲結(jié)構(gòu)電路、控制電路、采樣電路及驅(qū)動電路等。在控制電路的設(shè)計機制中，主要以DSP芯片為主導(dǎo)，結(jié)合電壓及電流的采樣電路構(gòu)成，以便對電壓及電流信號分別采樣，再經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換后傳輸至DSP。另外，DSP在獲取相關(guān)的信號后，會將該信號進行數(shù)字運算及濾波，利用相應(yīng)的控制系統(tǒng)及算法進行決斷，由PWM控制波形予以呈現(xiàn)。另外，電動電路的功能在于對控制信號進行放大，由IGBI實施傳輸和控制，以對開通和斷開實施調(diào)節(jié)，最終目標是實現(xiàn)變換器能量流動的調(diào)節(jié)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)控制的核心，雙向DC-DC變換器的應(yīng)用下，設(shè)計主要以固定頻率作為基礎(chǔ)，利用對雙閉環(huán)控制及復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，對雙向DC-DC變換器實施不同模式的調(diào)節(jié)，以保證能量流動的有效性，確保輸出端電流及電壓穩(wěn)定，特別是基于DSP系統(tǒng)的PWM控制波形，更應(yīng)逐步強調(diào)對DPS程序模塊設(shè)計，將主程序模式及中斷程序模塊合理設(shè)置。

在主程序模塊中，通常由硬件系統(tǒng)、外圍設(shè)備及特殊變量等構(gòu)成，依托主程序的運行流程設(shè)計（如圖2），當DPS芯片初始化完成，程序便進入了循環(huán)階段，在循環(huán)的過程中會持續(xù)調(diào)動子程序，從而在必要場景下觸發(fā)中斷子程序，在完成中斷后再等待下次觸發(fā)機制。

圖2：主程序流程

5 結(jié)語

綜上所述，隨著社會環(huán)境保護意識的增強，以及能源危機的不斷提升，燃料電池汽車作為新能源領(lǐng)域的重要內(nèi)容，越來越符合社會發(fā)展的需求。為了更好地提升燃料電池汽車的水平，加強對輔助動力系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研究與應(yīng)用，將能夠大幅提升燃料電池汽車的實用性，滿足不同場景下的駕駛需求，利用能量的雙向流動和控制，持續(xù)發(fā)揮出節(jié)能環(huán)保的作用，并且解決能量過度流失的問題。據(jù)此，本文通過對雙向DC-DC變換器的分析與設(shè)計，可以為該領(lǐng)域提供積極的參考，從而實現(xiàn)燃料電池汽車控制系統(tǒng)的優(yōu)化。