大功率交錯(cuò)式燃料電池直流-直流變換器研究*

劉水心，王金宇，臺(tái)述鵬，高大威

（1.清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084；2.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

為了解決傳統(tǒng)燃油汽車帶來(lái)的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題，新能源汽車產(chǎn)業(yè)被世界各國(guó)大力提倡。燃料電池汽車由于其能量轉(zhuǎn)化效率高、續(xù)航里程較長(zhǎng)并且能夠?qū)崿F(xiàn)零排放的優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的發(fā)展前景。

燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ矗?jīng)氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿a(chǎn)生水，可以認(rèn)為其污染物排放近似為零[1－2]。然而，以燃料電池作為汽車的主要?jiǎng)恿υ匆泊嬖谥恍﹩?wèn)題：燃料電池的輸出特性較軟，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，輸出電壓波動(dòng)較大，這無(wú)法滿足車輛的整體需求，而且頻繁變動(dòng)的電流與電壓也會(huì)對(duì)燃料電池造成不良影響，縮短其使用壽命[3]。為了解決這些問(wèn)題、提高燃料電池的適用性，常常在動(dòng)力系統(tǒng)中加入諸如高壓蓄電池組或者超級(jí)電容等輔助動(dòng)力源，這會(huì)造成各個(gè)動(dòng)力源之間的電壓、功率不匹配的問(wèn)題，一般需要直流－直流（DC－DC）變換器來(lái)進(jìn)行調(diào)配。

圖1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中的直流－直流變換器的作用主要有以下幾點(diǎn)[4－6]。

（1）電壓匹配：受自身性能和負(fù)載變化的影響，燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的各個(gè)動(dòng)力源，例如燃料電池、超級(jí)電容和蓄電池等，輸出電壓波動(dòng)較大。而車輛上的負(fù)載，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)等，則要求輸入電壓穩(wěn)定。這時(shí)，就需要直流－直流變換器進(jìn)行電壓上的匹配，實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的電壓解耦。

（2）功率控制：直流－直流變換器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)力源之間的功率分配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)負(fù)載的有效控制，也可以讓每個(gè)動(dòng)力源盡可能發(fā)揮其作用。

（3）保護(hù)電化學(xué)動(dòng)力源：直流－直流變換器通過(guò)控制各個(gè)動(dòng)力源的輸出，使得動(dòng)力源工作在其許用范圍之內(nèi)，也可以降低燃料電池的電流紋波，保證各個(gè)動(dòng)力源的安全，延長(zhǎng)其使用壽命。

（4）燃料電池狀態(tài)估計(jì)：通過(guò)直流－直流變換器對(duì)燃料電池輸出電流、電壓的控制，可以對(duì)燃料電池的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行辨識(shí)，從而達(dá)到對(duì)燃料電池本身狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)的目的。

燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)所需的直流－直流變換器輸出電壓最高可達(dá)750 V，額定功率達(dá)到80 kW，屬于大功率范疇，國(guó)內(nèi)對(duì)大功率直流－直流變換器的研究大多集中在新能源汽車領(lǐng)域[7－9]。如何使直流－直流變換器兼具大功率和較高的功率密度是行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)題，本文從直流－直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的使用入手，旨在研發(fā)出一種大功率、高性能、高功率密度的燃料電池直流－直流變換器。

1 直流－直流變換器硬件設(shè)計(jì)

1.1 四相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為保證較高的能量轉(zhuǎn)化效率，燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的直流－直流變換器常采用非隔離型直流－直流變換器。常見(jiàn)的非隔離型直流－直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Buck和Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]。本文研究升壓型直流－直流變換器，故選用Boost電路作為基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的需要，直流－直流變換器需要有功率大、效率高、穩(wěn)定性好、功率密度大和電壓電流紋波小等特點(diǎn)，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以達(dá)到這些要求，因此本文采用交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所謂交錯(cuò)式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指N相小功率變換器模塊兩端口并聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)大功率直流電能變換的電路結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期TS中，每一相電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位互差，它具有基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不具有的優(yōu)勢(shì)[11－13]。

（1）紋波減小：由于各相電流存在相位差，會(huì)抵消掉一部分電流紋波，使得整體的電流紋波減小，N相交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)輸入電流紋波與單相電路之比和占空比以及相數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 N相交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)與單相結(jié)構(gòu)輸入電流紋波之比

（2）功率密度提高：紋波的減小使得對(duì)輸入輸出濾波電容的要求降低，可以減小濾波電容的容值、體積和重量；各相支路均分總體的輸入輸出電流，使得儲(chǔ)能電感的感值、體積和重量得以降低，從而提高功率密度。

（3）效率提高：相對(duì)而言，交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率器件開(kāi)關(guān)頻率降低，可以降低開(kāi)關(guān)損耗；各相支路的電流較小，可以降低通態(tài)損耗；并且可以通過(guò)合理分配各模塊承擔(dān)的負(fù)載的方式，使得系統(tǒng)在輕負(fù)荷下保持高效率。

（4）控制靈活：各相支路可以分別獨(dú)立控制。

（5）電氣應(yīng)力降低：元器件電流應(yīng)力降低；電壓和電流紋波降低，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰降低，使得電壓應(yīng)力降低。

（6）可靠性提高：模塊之間互為冗余；電氣應(yīng)力降低；容易實(shí)現(xiàn)熱管理，從而提高可靠性。

（7）成本降低：模塊化設(shè)計(jì)、電感和電容量減小、熱管理難度下降、電氣應(yīng)力降低等優(yōu)勢(shì)均使成本降低。

車載燃料電池極化曲線如圖3所示。直流－直流變換器的性能要求如表1所示?？梢?jiàn)直流－直流變換器輸入的電壓范圍為200~400 V，輸出電壓范圍為400~750 V，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可知直流－直流變換器的工作占空比變化范圍在20%~70%。根據(jù)圖2的N相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流紋波比可知，在這個(gè)占空比范圍內(nèi)四相交錯(cuò)式Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流紋波較小，再綜合考慮功率、系統(tǒng)控制難度等因素，最終確定為四相交錯(cuò)式Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 車載燃料電池極化曲線

表1 直流－直流變換器性能要求

1.2 主電路器件選型

如圖4所示，直流－直流變換器的主電路主要由功率MOSFET、功率二極管、儲(chǔ)能電感和濾波電容構(gòu)成。為了達(dá)到使用要求，需要對(duì)這些元件進(jìn)行選型。

圖4 四相交錯(cuò)式Boost電路

1.2.1 SiC功率器件

按照工作方式的不同，直流－直流變換器上用到的功率器件主要分為功率MOSFET和功率二極管，其為直流－直流變換器最重要的元件。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)輕量化、緊湊型、高效性和可靠性提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的Si基器件在開(kāi)關(guān)頻率、電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、功率密度等很多方面都已?jīng)逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限，很難再有大的進(jìn)步。為了滿足電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)的使用需要，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)成為了行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)題[11]。

SiC器件耐高壓、耐高溫、高頻特性好和損耗低的優(yōu)勢(shì)可以讓電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)更加高效。綜合考慮電流紋波、耐壓值、額定電流等因素，選擇SiC MOSFET和SiC功率二極管的耐壓值應(yīng)該大于最大輸出電壓750 V，額定電流應(yīng)該大于每一相電路的最大電流123.5 A，每相Boost電路采用4個(gè)并聯(lián)SiC MOSFET和4個(gè)并聯(lián)的SiC功率二極管。

1.2.2 儲(chǔ)能電感

儲(chǔ)能電感的選型依據(jù)主要是其電感標(biāo)稱值和額定電流。

電感標(biāo)稱值主要影響輸入電流紋波大小。設(shè)直流－直流變換器常用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比最大為0.65，此時(shí)直流－直流變換器有最大輸入電流紋波。最大紋波電流一般不超過(guò)最大電流的1%，直流－直流變換器最大電流Iimax≈494 A，均分至每一相支路的電流INmax≈123.5 A，交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)具有抵消電流紋波的作用，故每一相電路紋波要求可以適當(dāng)放寬至5%，即

根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)稱值120μH即可滿足輸入電流紋波小于1%的要求；由于直流－直流變換器每一相最大電流為123.5 A，選擇電感的額定電流為160 A。

1.2.3 濾波電容

濾波電容在電路中起到抑制電壓紋波的作用，選型依據(jù)是其容值和耐壓能力。

一般要求直流－直流變換器的電壓紋波不大于1%，即ΔUmax≤1%Uomax＝7.5 V。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，輸入測(cè)濾波電容為120μH，輸出測(cè)濾波電容值為160μH即可滿足電壓紋波要求。耐壓能力方面，輸出最大電壓Uomax＝7.5 V，輸入最大電壓Uimax＝400 V。故選擇輸出側(cè)濾波電容耐壓值為900 V，輸入側(cè)濾波電容耐壓值為600 V。

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

除了主電路，控制電路的設(shè)計(jì)也十分重要，主要包括控制單元、采樣電路、濾波調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和CAN通訊電路等。系統(tǒng)的硬件框圖如圖5所示。

圖5 直流－直流變換器硬件

直流－直流變換器采用TI公司的32位浮點(diǎn)DSP——TMS320F28377D作為其主控芯片，通過(guò)CAN總線與上位機(jī)，即整車控制器通訊，其PWM模塊可以輸出4路相位差為90°的控制信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制四相交錯(cuò)式Boost電路中的功率MOSFET的開(kāi)關(guān)。電流、電壓以及溫度傳感器將產(chǎn)生的電流、電壓以及溫度信號(hào)通過(guò)濾波調(diào)理電路，被A/D轉(zhuǎn)換模塊所采集，進(jìn)而完成反饋控制、故障檢測(cè)等功能。

2 直流－直流變換器的控制

將直流－直流變換器整體看作一個(gè)二端口系統(tǒng)，可供控制的量就有輸入端電壓電流和輸出端電壓電流4個(gè)物理量，可以針對(duì)這4個(gè)物理量實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)或者雙閉環(huán)控制?？刂品椒ǚ矫?，隨著數(shù)字控制的發(fā)展和應(yīng)用，除了經(jīng)典的PID控制之外，許多現(xiàn)代控制理論和方法，也可應(yīng)用于直流－直流變換器的控制中去[14－15]。

2.1 控制方法分析

直流－直流變換器常用的控制方法有：經(jīng)典PID控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。PID控制的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟且可靠性高，但是不適用于非線性系統(tǒng)；滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)是魯棒性好，響應(yīng)快速，但是其控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)易存在抖振現(xiàn)象；自適應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制參數(shù)實(shí)時(shí)更新抗干擾能力強(qiáng)，但在高頻狀態(tài)下難以保持控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，但是存在控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，計(jì)算量大的缺點(diǎn)。

雖然直流－直流變換器是變結(jié)構(gòu)的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)PID控制技術(shù)成熟、可靠性高且易于以模擬控制的方式實(shí)現(xiàn)，仍是目前最常用的直流－直流變換器控制方法。PID控制的實(shí)現(xiàn)不依賴模型，參數(shù)可以通過(guò)Ziegler－Nichol法等實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行整定。有鑒于此，選擇傳統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流－直流變換器的閉環(huán)控制。

2.2 控制模式分析

直流－直流變換器的控制模式可以分為電壓控制模式和電流控制模式。

從直流－直流變換器本身的功能上來(lái)看，其輸出電壓需要具有穩(wěn)定性好、紋波小等特點(diǎn)，所以需要對(duì)其輸出電壓進(jìn)行精確控制。但是直流－直流變換器的四相支路的實(shí)際物理參數(shù)不可能完全相同，輸出電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制無(wú)法對(duì)四相Boost電路的電流實(shí)現(xiàn)均流，各相電路的電流值會(huì)出現(xiàn)較大差異，這會(huì)導(dǎo)致某一相支路的電流值先于其他相到達(dá)上限，從而縮短該相支路元件的使用壽命，甚至導(dǎo)致整個(gè)變換器的損壞。因此，在輸出電壓控制下，一般還需要引入電流內(nèi)環(huán)，對(duì)每條支路的電感電流分別進(jìn)行控制，形成雙閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中，Hu(s)和HiLN(s)是電壓和電流A/D采樣低通濾波環(huán)節(jié)，Gu(s)和HiLN(s)是電壓和電流環(huán)PI控制器。

圖6 雙閉環(huán)控制

2.3 直流－直流變換器軟件設(shè)計(jì)

直流－直流變換器控制程序由主程序、PWM中斷服務(wù)程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、CAN通訊接收中斷服務(wù)程序等部分構(gòu)成。

（1）主程序：包括初始化程序、A/D采樣自檢程序和循環(huán)執(zhí)行的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷和數(shù)據(jù)裝載程序。

（2）PWM中斷服務(wù)程序：其流程如圖7所示，作為直流－直流變換器控制軟件的核心，實(shí)現(xiàn)的功能有：限定直流－直流變換器被控制量的范圍，讀取上位機(jī)的控制模式指令和給定被控制量的參考值指令，并根據(jù)參考值計(jì)算對(duì)應(yīng)的PWM占空比信號(hào)，判斷占空比信號(hào)是否在限制范圍內(nèi)（一般為5%～95%），若在此范圍內(nèi)，就將該占空比進(jìn)行移相并輸出，若超出此范圍，就將對(duì)應(yīng)限制值移相并輸出。

圖7 PWM中斷服務(wù)程序流程

（3）定時(shí)器中斷服務(wù)程序：實(shí)現(xiàn)直流－直流變換器通過(guò)CAN總線定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、變換器工作時(shí)間定時(shí)、故障狀態(tài)時(shí)間定時(shí)等對(duì)時(shí)間精度要求較高的功能。

（4）CAN通訊接收中斷服務(wù)程序：實(shí)現(xiàn)直流－直流變換器從上位機(jī)接收控制模式、控制參數(shù)等指令數(shù)據(jù)的功能。

（5）A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序：主要功能是采集電壓、電流和溫度傳感器的對(duì)應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行濾波處理。

3 直流－直流變換器實(shí)驗(yàn)研究

3.1 樣機(jī)與測(cè)試平臺(tái)搭建

3.1.1 直流－直流變換器樣機(jī)

圖8所示為交錯(cuò)式直流－直流變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該樣機(jī)外部尺寸為363 mm×334 mm×120 mm，功率密度達(dá)到5.5 kW/L。采用水冷散熱。外部接口包括輸入正極接口2個(gè)。輸出正極接口1個(gè)，負(fù)極接口3個(gè)，低壓接頭1個(gè)以及水冷接頭2個(gè)。

圖8 直流－直流變換器樣機(jī)

3.1.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于Labview的上位機(jī)設(shè)計(jì)主要作用是模擬整車控制器的作用，對(duì)直流－直流變換器發(fā)出指令，例如控制模式、控制參數(shù)和目標(biāo)電流、電壓值等；接收直流－直流變換器發(fā)送的輸入輸出電壓、電流數(shù)據(jù)并顯示，界面如圖9所示。

圖9 Labview上位機(jī)界面

3.1.3 直流－直流變換器測(cè)試平臺(tái)

直流－直流變換器測(cè)試平臺(tái)如圖10所示，主要包括燃料電池模擬裝置、預(yù)充電及保護(hù)電路、直流－直流變換器及其上位機(jī)以及負(fù)載。

圖10 阻性負(fù)載測(cè)試平臺(tái)

3.2 直流－直流變換器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.2.1 SiCMOSFET開(kāi)關(guān)特性

當(dāng)直流變換器工作在額定功率，即80 kW時(shí)，用示波器觀察第一相電路的電感電流iL1和漏源極電壓UDS1波形如圖11所示，此時(shí)輸入電壓200 V，占空比為50%，負(fù)載為2Ω，PWM頻率為55 kHz。

圖11 額定功率時(shí)UDS1與iL1波形

可見(jiàn)在MOSFET開(kāi)通時(shí)間約為0.26μs，漏源電壓產(chǎn)生的振蕩最大幅度約為漏源電壓的6.17%，關(guān)斷時(shí)間為0.26μs，漏源電壓產(chǎn)生的振蕩最大幅度約為漏源電壓的8.58%，開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓產(chǎn)生尖峰的原因是雜散電感等線路中的寄生參數(shù)導(dǎo)致。電感電流平均值為105.96 A，紋波率為22.56%，表現(xiàn)出單相Boost電路紋波大的缺點(diǎn)。

3.2.2 輸入電流紋波分析

工作在上述工況下的四相電感電流波形如圖12所示。為了分析四相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算四相電感電流之和，即四相交錯(cuò)式直流－直流變換器的輸入電流如圖13所示，再將第一相和第三相電感電流相加視為一個(gè)兩相交錯(cuò)式直流－直流變換器的輸入電流，如圖14所示。由圖2可知，相數(shù)N為2或者4，占空比為50%時(shí)都具有最小的輸入電流紋波，但是由圖13可知，四相電路此時(shí)的電流紋波率為1.06%，；而由圖14可知，兩相電路的電流紋波率為1.51%?？梢?jiàn)四相交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)在紋波抑制上優(yōu)于單相和兩相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖12 額定功率下四相電感電流波形

圖13 額定功率下四相輸入電流波形

圖14 額定功率下兩相輸入電流波形

3.2.3 變換器效率分析

為了保證燃料電池的能量盡可能被負(fù)載所用，直流－直流變換器需要保持較高效率。不同輸入電壓情況下，直流－直流變換器效率隨著輸入功率變化的趨勢(shì)如圖15所示。

圖15 效率隨功率變化趨勢(shì)

可見(jiàn)在正常的輸出功率范圍內(nèi)直流－直流變換器效率總體較高，在98.5%以上。輸入電壓在200 V時(shí)，效率隨著功率的上升有先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于電感上的損耗和MOSFET的導(dǎo)通損耗變化的結(jié)果；輸入電壓為400 V時(shí)，效率比輸入電壓為200 V時(shí)更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)直流－直流變換器的設(shè)計(jì)、研發(fā)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到以下結(jié)論：

（1）研發(fā)的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)直流－直流變換器在輸入、輸出電壓范圍，輸入、輸出功率范圍，紋波以及效率等方面均達(dá)到要求，功率密度較高，約為5.5 kW/L；

（2）額定功率下，電感電流平均值為105.96 A，通過(guò)對(duì)單相、兩相和四相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，四相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流紋波最小，約為1.06%，證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的正確性；

（3）在正常的輸出功率范圍內(nèi)，直流－直流變換器效率較高，在98.5%以上。