燃料电池车载大功率DCDC变换器的设计与应用

1、燃料电池车载大功率 DCD凄换器的设计与应用2时间：2009-07-30 2745次阅读 【网友评论0条 我要评论】收藏1,前言DC/D吸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 Uf

2、c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

3、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/D3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（SEPI。等六 种1 o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

4、构成。Q1和Q2为PWMC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=Dy/（1-Dy）, 式中，Dy为图3双向Zeta-Sepic直流变换器设计电路图图5能量从V2向V1方向流动it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Dy>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IL1 >IL2 , IL1和IL2为电感电流平均值。电容C1电压VC1为VC1=VC2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 VQ=VD=V1+V

5、2=V1 (1-Dy),开关管Q1和二极管D2电流平均值IQ1和ID2关系为IQ1=IL1=I1 , ID2=IL2=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 Dy> 0.5, V2> V1, I1 > I2 ,故 IL1 >IL2 , iL1 的 瞬时值都大于零，iL2的瞬时值出现了正负交替变化，iQ1和iQ2的瞬时值也交 替变化，4个器件轮流导通2。在t=0t1期间D1续流，t1ton期间Q1导通， tont3期间D2续流，t3T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

6、电压开通，由图6知两电感电流平均值IL1 和IL2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/D吸换器的核心组件，车载DC/D喙换器除此外还包 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/D3换器的总体硬件电路。具系统结构图如图 7所示。DC/OC控制驱动电路 =>散热网屈驳动日|低雄电医核测I/OI/Ovniw.$=PCANI/O温度检测电器(DSl器20);忧电子开发桢.一.一.-

7、 iUGkT微潭检测电路IA/D A/U低端电流检测EA/DA/D=高端电压检测 =1高端电流检恻MCUMC9S12D64图7 DC/DC变换器系统结构图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。MC9s12D6共有8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集 BKGD MODB MOD左个引脚的X态来实现5。增强了应用的可选择性。控制单元通过 CAN® 讯网络接受整车控制

8、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!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。3.2 CAN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!讯接口硬彳设计如图8所示，其中82C250是CAN空制器和物理总线间的 接口 4,它和CAN空制器之间采用光隔P113以提高系统的抗干扰能力。ClLj曲 -R WT 】H* B I* OUT 总GNT82C2S0th '/rr-HH-

9、0Fl 13comWX K1 IK*OUT】上GHU CO390r hio时0 11 TCUfLFH3nTCM!旦口 390Pl 13 一九（一二4f82C250 田tid m-if1KHPl 13的C鲤r w发春总i fa-K0390com图8 CAN通讯接口硬件电路设计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CANR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 WBV151S0珀电压隔离传感器，输入范围为 075mV输出为0 5V,供电为土 12M被测母线通过分流，将电流

10、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 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/D3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DALLA井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

11、c至IJ+ 125C,精度可达0.1 C ,不需要A/D转换, 直接将温度值转换为数字量。DS18B2CT格的遵守单线串行通信协议，每一个 DS18B20fc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DS18B2W以采用一线进行通信的原因。工作中控制单元对DS18B20勺操彳以RO嘛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（ECHm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

12、（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HC12ffi 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 BDMMJ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/D3换器设计三种工作模式，使能工作模

13、式，正常工作模式和故障模式。在 使能工作模式下DC/DCt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/D吸换器 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。4.2 DC/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/D吸换器则根据相应的协议向整车 CAN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/DCE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/D吸换器的工作主流程图，止匕外，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。I开始调用故障检测子程序上传状态信息按协议翻译接受指令禁止DC/DC变换器岁作上传彘信息i_结束图9主流程图5,结束语本文作者创新点：以飞思卡尔单片机MC9S12D64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：DC/DOfe路采用没有隔离