氫燃料電池汽車雙向升降壓DC/DC變換器控制方式改進

張敏海

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006）

0 引 言

近年來，隨著氫燃料電池技術的發展，氫燃料電池汽車隨之迅速發展。DC/DC作為氫燃料電池發動機系統的關鍵部件，作為氫燃料電池動力系統的關鍵部件，通過精確控制發動機的輸出功率，實現燃料電池與整車高壓之間的解耦，實現整車動力系統之間的功率分配和優化控制，穩定發動機的工作狀態，延長發動機壽命，其質量的優劣直接影響氫燃料電池汽車的穩定性。

1 DC/DC主電路結構及工作原理

圖1為氫燃料電池汽車中3路移相雙向升降壓DC/DC主回路結構圖，主要由6塊IGBT及3個電感等器件組成全橋變換電路。通過控制IGBT功率器件Q4～Q6下橋臂管的開通與關斷，當Q1～Q3上橋臂管全通、下橋臂管全關、Q4～Q6的上橋臂管全關時，可以實現第一側直流電壓按比例升壓至第二側高壓。通過控制IGBT功率器件Q1～Q3上橋臂管的開通與關斷，當Q1～Q3的下橋臂管全關，Q4～Q6的上下橋臂管全關時，可以實現第一側直流電壓按比例降壓至第二側低壓[1]。同理，從第二側至第一側升降壓工作過程類似于第一側至第二側過程。

圖1 3路移相雙向升降壓DC/DC主回路結構圖

2 現有控制方式

目前，市面上氫燃料電池DC/DC變換器，大都采用單閉環PI控制方式。單閉環PI控制根據給定目標電流及總輸入或輸出端采集的電流（TA1或TA2）以及DSP芯片進行PI閉環調節，輸出PWM控制Q1～Q6功率管，以達到控制目的[2]。由于各支路電流沒有進行實時均流調節，因此經常會因為硬件參數不完全一致出現不均流現象，從而導致一系列的安全問題。

圖2為現有控制方式電路框圖，其中控制方式采用的是單閉環PI控制方式。在3路移相雙向升降壓電路中，由于主電路由3路全橋電路并聯組合，各支路的電氣參數存在一定的差異性，因此當控制器移相脈沖控制IGBT橋臂時經常會出現各支路電流不均衡的現象。輕微不平衡會引起電流大的支路IGBT發熱嚴重，嚴重不平衡時導致系統工作不穩定，IGBT損壞，使得DC/DC變換器不能正常工作，嚴重影響氫燃料電池汽車的正常行駛[3]。

圖2 現有控制方式結構圖

3 改進控制方式

針對氫燃料電池DC/DC變換器現有控制方式的缺點，本文提出多路閉環PI控制方式解決DC/DC變換器內各支路電流不均衡問題[4]。圖3為改進后控制方式框圖，在硬件電路的每一支路電感處新增傳感器，分別為TA3、TA4以及TA5。多路閉環PI控制采用的是將給定目標電流均分成3等份作為3條支路的給定量，將3條支路電流傳感器TA3、TA4以及TA5采集回的電流作為反饋，分成3條支路進行移相PI閉環調節，輸出PWM控制Q1～Q6功率管。由于每條支路使用單獨的PI調節，可以較高精度地保證每條支路電流等于給定電流，因此可以實現三條支路均流控制，保證DC/DC變換器可靠運行[5]。

圖3 改進后控制結構圖

4 建模仿真驗證及分析

針對現有控制方式及改進后的控制方式，使用MATLAB軟件中的Simulink分別搭建仿真模型。考慮到仿真模型較大，因此只以升壓模式為例進行仿真。圖4為現有控制方式的升壓電路及控制模型，模型中將直流電源作為低壓端，將功率電阻作為高壓端，用IGBT及電感組成非隔離半橋升壓電路。控制部分由給定值及輸入端總電流為反饋值，將兩者之差輸入到PI調節器內進行單閉環PI調節，最終輸出PWM信號控制IGBT開關，達到升壓的目的[6]。

圖4 現有控制方式升壓仿真模型

根據實際氫燃料電池大巴汽車升壓比例及功率，仿真參數設置如下：開關頻率設置為10 kHz，電感值設置為220 μH，低壓端直流電壓設置為150 V，高壓端功率電阻設置為8.04 Ω，給定電流設置為300 A，升壓至650 V，功率為45 kW，PWM信號進行移相設置。在設置完參數后啟動仿真，通過仿真圖中的示波器觀測到3條支路電流波形圖如圖5所示。從各支路電流波形來看，3條支路均電流存在不均衡現象，但第一支路承擔電流明顯偏大，導致第一路負荷較大，發熱嚴重，長期工作過程中容易導致第一支路IGBT損壞，嚴重影響DC/DC變換器的安全，從而影響氫燃料汽車的運行安全。

圖5 現有控制方式仿真支路電流波形

圖6為改進控制方式后的仿真模型圖。該模型只將圖4模型中控制部分的單閉環調節改成3條支路分別PI閉環調節[7]。將總電流給定值除以3，分別作為3條支路的給定值。反饋值從各支路電流傳感器采集，分別進行移相PI調節，輸出PWM控制IGBT工作[8]。仿真模型的參數設置與圖4模型參數設置一致。

圖6 改進控制方式升壓仿真模型

在設置完參數后啟動仿真，通過仿真圖中的示波器觀測到3條支路電流波形圖如圖7所示。從各支路電流波形來看，3條支路電流非常均衡，相對于圖5電流波形，有了較大的改善，保證了各個IGBT的發熱均衡及可靠工作，使氫燃料電池汽車電氣系統能穩定運行。

圖7 改進控制方式仿真支路電流波形

5 結 論

本文提供的DC/DC變換器多閉環PI控制方法可以實現多路移相控制中各支路電路的均流，保證各IGBT能均衡工作，散熱良好，提高了系統可靠性，同時降低了主回路各支路電氣參數制造生產的難度，可以允許各支路器件電氣參數存在一定的誤差，提高了控制精度，減少了輸出紋波，有利于整個燃料電池汽車電氣系統的穩定性能。