使用耦合電感器為新型燃料電池車開發燃料電池升壓轉換器

0 前言

為了實現能源可持續發展，本田汽車公司力求通過將機動車輛動力系統更換為電力驅動來減少CO2，并通過H2和其他替代燃料促進能源的多樣化。H2可以使用可再生能源生產，使用時不會排放CO2，可以以高能量密度的形式進行儲存和運輸。為了普及燃料電池車(FCV)，需要使其具有與常規內燃機動力汽車相同的尺寸和實用性。為了實現這一目的，通過在增加驅動電機功率的同時又減少了燃料電池組的電池數量，來解決包括實現對燃料電池組在內的電力傳動系統小型化所涉及的問題。這需要將燃料電池組提供給驅動電機的電壓升高。因此，開發了一種將燃料電池組電壓升高的高功率燃料電池電壓控制單元(FCVCU)。介紹了為實現緊湊性和輕量化所采用的升壓轉換器的電路技術和結構。

1 電力系統配置

2009年型FCV[1]的布局方案是在中心通道中布置燃料電池組，能夠滿足低地板、低重心和總體高度低的轎車需求，而且該車型還提供了可以容納4名乘客的乘座空間(圖1)。

圖1 動力總成布置圖

在新型FCV中，燃料電池組和外圍設備系統更為緊湊，與電動動力總成一起被布置在前艙罩下。這種集中布置實現了可容納五名成年人的寬敞客艙(圖2)。FCVCU提供大功率，并實現了輕量化和緊湊型的設計。2009年型FCV前艙只有變頻器和電機(圖3)，而新型FCV的布置增加了動力控制單元并安裝在前艙罩下，如圖4所示。

圖2 新型燃料電池車車廂

通常，配置動力控制單元是為了通過FCVCU來提高燃料電池組的輸出電壓并將其提供給電機逆變器。采用FCVCU可以選擇高輸出功率和高效性能的電機。使電機功率輸出升高，燃料電池數量減少，從而實現結構更緊湊、質量更輕的整車系統。

圖3 原燃料電池車型布置情況(2009年型FCV)

圖4 新型燃料電池車布置情況

為了實現世界上首款5座FCV轎車，新型FCV車型前艙罩下安裝了緊湊燃料電池組動力系統。安裝在這個緊湊的燃料電池組動力系統中的電機向前傾斜90°，PCU放置在旁邊。與原機型相比，高度減少了34%(圖5)。本文介紹的緊湊型燃料電池組和FCVCU都放置在動力系統的頂部。 FCVCU設計薄而緊湊，高度最低，其內部組件布置在平面上，以便在安裝在有限的空間里。這使得在前艙罩下安裝燃料電池組動力系統的方案能夠實現。

圖5 動力總成體積

在2009年FCV車型中，燃料電池組輸出單元直接耦合到驅動電機逆變器上。新型FCV車型相對于2009年原車型，燃料電池組單元的數量減少了約30%，導致燃料電池組輸出電壓較低。但電壓通過FCVCU得到提升，因此逆變器驅動電壓最大達到500 V。因此，實現了更高的電機輸出，從最大100 kW升至130 kW(表1)。

表1 兩款車型主要參數對比

2 FCVCU電路布置

圖6顯示了FCVCU電路圖。其主要組件是由智能電源模塊(IPM)、電感器和平滑電容器組成。它與并聯的4個單相斬波電路形成四相交錯電路[2]。采用全SiC IPM，由碳化硅肖特基二極管(SiC SBD)和碳化硅場效應晶體管(SiC FET)組成。通過使被動元件實現緊湊化，使其減少損耗，并相應提高了電壓控制單元(VCU)的效率。同時，采用由單芯上的兩相電感器組成的兩相耦合電感器[3]，以實現更高的緊湊性?？紤]到發熱問題，對于次級側的平滑電容器選擇了間接水冷結構(表2)。

圖6 FCVCU電路示意圖

項目參數最大輸出功率/kW100最大升壓電壓/V500流量/L15.8電路系統4相交錯電源模塊SiC電感器2相磁耦合電容器間接水冷控制器初級側電流控制

3 磁耦合和交錯操作

兩相耦合電感器中，相1和相2配對，相3與相4配對。這兩個相對組成四相配置。對于每個相位，都采用2個線圈纏繞在單個磁芯上，電流通過它們在磁芯中產生的磁通量是反向的，從而減小直流磁通(圖6)。此外，用于切換彼此耦合相位的定時偏移180°，使得交流分量也減小了。前者的作用是使電感更緊湊，后者的作用是使相4電感器中的紋波電流消除相互輸出，使平滑電容器更加緊湊。圖7示出了四相交錯電路的各相開關波形和相電流波形。相位按照相1、相3、相2和相4的順序偏移90°，使得每相中產生的紋波電流相互抵消。這樣可以減少四相中復合電流的紋波。

圖7 交換波形示意圖

4 控制方法

為了利用多相轉換器進行高效率的電壓轉換，需要根據操作條件切換運作相數。設置切換操作次數的點包括FCVCU輸入電壓、輸出電壓和輸入電流。根據計算結果，在FCVCU中預先設定上述3個參數下的適當的運轉階段。 基于輸入電流值實現運行中的相數的切換控制。以這種方式設置切換點，使得電流是唯一需要監控的參數，同時也能夠進行有效的控制。

然而，這種控制并沒有實現三相操作。 由于電感器采用兩相耦合電感，因此耦合的兩相需要具有均勻的電流。 舉例來說，當相位切換控制導致相1到相3進行三相運行時，在與相3耦合的相4中沒有電流，因此丟失了磁耦合的影響，使得相3的終了紋波電流比相1和相2更高。這意味著三相持續運行會導致相3的發熱增加。為了避免這種情況，驅動相切換控制不能實現三相運行，而是選擇一相、兩相和四相運行(圖8)。

圖9顯示了驅動相切換控制的影響。在駕駛US06車型時，FCVCU的功耗損失減少約30%。

圖9 驅動相位控制的影響

5 緊湊性和高效率的影響

圖10顯示了FCVCU的尺寸縮小效果。通過采用全SiC IPM、耦合電感和冷卻平滑電容器，FCVCU比原機型緊湊了約40%。圖11顯示了FCVCU具有更高效率的優勢。在相同的輸出功率下，2013款的混合動力汽車(HEV)[4]中的功率損耗相對于傳統的VCU降低了約70%，實現了更高緊湊性和更高效率之間的平衡。

圖10 FCVCU小型化效果

圖11 與原VCU相比的功率損耗

6 靜音運行

通常驅動電動汽車逆變器和轉換器的噪聲在可聽范圍內(20～20 000 Hz)，電感器、電容器等發出的高頻聲音需要采取相應措施來實現靜音運行[5]。通過采用SiC IPM，FCVCU運行的頻率比以前更高，達到了超20 kHz的頻率，這也大大降低汽車運行時的噪聲。

7 FCVCU結構

在燃料電池組之上放置FCVCU可以產生與燃料電池組大小相同的面積。然而在高度方面，需要將FCVCU放置在與前罩之間的間隙的位置上，以保證發生碰撞時可以保護行人安全。組件必須位于該高度以下，因此采用了超薄設計。圖12示出了FCVCU的橫截面，圖13示出了FCVCU組件的展開圖。為了降低FCVCU的高度，四相電感器的超薄設計選擇并聯磁耦合兩相電感，并將四相SiC IPM模塊放置在旁邊。然后將次級側平滑電容器定位在相鄰處。這些步驟產生了內部部件布置在VCU外殼內相同平面上的結構，從而降低了FCVCU的高度。

圖12 FCVCU的橫截面圖

ECU的尺寸和位置也被調整，使其可以放置在與前罩輪廓相對應的目標線的下方。

圖13 FCVCU的組件

8 電感器

電感器的外部視圖如圖14所示，電路如圖15所示。新的電感器使用2相耦合，四相排列的單個盒子中有2組兩相耦合的電感器。對于芯材選擇了在高頻范圍內具有較低損耗的材料。磁耦合可使得磁芯中的直流磁通量相互抵消，從而產生磁通量。使磁通量保持在較低水平，解決了低損耗材料發生的飽和磁通密度降低的問題。使用磁耦合也能夠實現無間隙，在芯子中沒有蓄意的間隙，而通過保持先前的芯線圈和線圈形狀(圖16)來維持制造生產率。使用耦合電感器的DC/DC轉換器可實現更高功率密度[6]。

圖14 與常規電感器的比較

圖15 電路示意圖

圖16 電感器的橫截面

圖17示出了電感器中的紋波電流(此時次級側的電壓是固定的，初級側的電壓發生變化)。在這些條件下，先前的電感器的紋波電流的升壓電壓比在2 h后達到峰值，但耦合電感器在升壓電壓比2 h后產生了低壓槽。

圖17 電感器紋波電流

由于這些影響，電感器的每單位功率的體積大約是2013款HEV中VCU電感器的30%(圖18)。除了四相交錯、高頻切換等的影響之外，磁耦合的尺寸縮小了16%。

圖18 電感器的小型化

9 電容器

圖19 發熱的頻率特性

如圖19所示，膜元件溫度隨紋波電流頻率增加而上升。紋波電流的幅度通過四相交錯電路減小，但是當紋波電流上升到高于各相紋波電流4倍的頻率時，溫度的上升幅度趨于變大(圖7)。電容器的設計使得紋波頻率低于溫升突然變化的點，但電容元件的耐熱性低于IPM或電感器的耐熱性。此外，由于電容器的位置靠近IPM，因此電容器通常與母線固定在一起。當直流電流流過母線時，也會導致電容器溫度升高。為了限制由高頻電流發熱和母線發熱引起的溫度升高，電容器采用主動冷卻結構。

電容器被設計在靠近IPM的位置是為了實現低電感結構。然而，固定在IPM上的直流母線有大電流通過，因此由于母線發熱，電容器元件的溫度趨于上升。因此，對于處理大電流和高頻電流的FCVCU，采用降低電容器溫度的結構。電容器冷卻結構如圖20所示，內置在電容器中的母線端子塊使用散熱片進行絕緣，且其結構將熱量散發到殼體中。IPM水套靠近電容器，外殼溫度可以保持接近水溫。這為母線提供間接的水冷卻。為了降低高頻電流發熱對電容器元件的影響，電容器的底面也具有用于冷卻的散熱片。采用散熱片冷卻母線和元件，電容器溫度降低了約17 ℃。

圖20 電容器冷卻結構

10 結論

在為新型燃料電池車開發新型FCVCU時，通過以下方法實現了緊湊性和更高的效率：

(1)SiC IPM和四相交錯電路系統，適用于電容器和電感器的緊湊性；

(2)驅動相切換控制，提高效率；

(3)兩相耦合，使電感器更緊湊。

FCVCU緊湊性提高了40%，可以將FCVCU安裝在汽車前排罩下的燃料電池組的頂部，并達到100 kW的輸出功率和15.8 L的元件體積。最終，在FCVCU中實現高功率輸出、緊湊性和輕量化的技術對新型燃料電池車的動態性能、燃油經濟性和產品吸引力的提高作出了貢獻[5]。