燃料電池混合動力汽車可調雙向DC/DC變換器設計

王召杰，賓 洋，2，羅文廣*，趙紹偉，劉德成

（1．廣西科技大學 電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006；2.重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054）

0 引言

目前，全球能源與環境問題日漸突出，世界各國都在積極尋求解決方案，特別是在新能源領域.我國新能源汽車產銷規模全球領先，過去幾年里連續成為全球新能源汽車產銷第一大國，而這一趨勢還在呈螺旋式遞增.新能源汽車類型之一的燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV）與傳統汽車相比，可以實現0排放，減少污染，降低了氣體的排放，提高了燃油經濟性，提高了發動機燃燒效率，運行平穩、無噪聲.因此，被認為是實現汽車工業可持續發展的重要方向之一，也是解決全球能源與環境問題的理想方案之一[1-3].單向DC/DC變換器是單向導通，只能實現能量的單向流動，不能反向工作，但是在燃料電池汽車的動力系統中，需要DC/DC變換器能實現能量的雙向流動.如果用單向DC/DC變換器搭建，則需要兩個變換器反向并聯重新組合，這樣就涉及電路復雜、體積變大、成本高等問題，因此，需選用雙向DC/DC變換器來實現能量的雙向流動.雙向DC/DC變換器又分為隔離型和非隔離型，一般來說，隔離型的原邊和副邊都有電感繞組，而非隔離型的只有單個電感[4].在大功率和對地線干擾防護要求比較高的時候使用隔離型，在比較簡單和體積要求比較緊張的場合使用非隔離型.由于本次設計的變換器應用場景為燃料電池混合動力汽車的動力系統，因此，最終選用非隔離型雙向Buck/Boost變換器作為電路的主拓撲，設計了燃料電池混合動力汽車動力系統中的電流/電壓可調雙向DC/DC變換器.為了提高雙向DC/DC變換器的性能，對元器件參數進行選型，并且對硬件電路進行了設計，可以實現體積小、重量輕、工作效率高、穩定性和動態性能好等要求，最后通過實驗進行了驗證.

1 雙向DC/DC變換器的拓撲結構及其工作原理

圖1為典型的燃料電池混合動力汽車的動力系統，本文所討論的，即為圖中的雙向DC/DC變換器.當汽車突然啟動、加速時，雙向DC/DC變換器以Boost模式工作，超級電容提供瞬時需求功率；當剎車或制動時，雙向DC/DC變換器以Buck模式工作，可以將產生的多余能量存儲起來[5-6].雙向DC/DC變換器是燃料電池和動力電池以及超級電容之間能量轉換的橋梁，可以優化電動機的控制，實現動力系統的能量分配，提高燃料電池汽車的整體效率.

雙向Buck/Boost變換器的電路拓撲結構如圖2所示，通過兩個功率開關管互補導通來進行工作.當變換器工作在Buck模式時，能量由V2流向V1，此時功率開關管S2處于導通狀態，S1處于截止狀態，D1和D2在變換器工作中充當續流二極管的作用；當變換器工作在Boost模式時，能量從V1流向V2，此時功率開關管S1處于導通狀態，S2處于截止狀態.雙向Buck/Boost變換器體現出了電壓應力、電流應力最小的優勢，工作時開關的損耗比較小，與其他類型的變換器相比，具有較高的工作效率.

圖3為雙向Buck/Boost變換器工作狀態圖，圖3中的（a）和（b）為Buck/Boost變換器降壓工作時的電路圖，此時開關管S1處于工作狀態，開關管S2處于截止狀態，通過改變S1的導通時間來控制變換器的輸出電壓V1.當開關管S1導通時，V2將會給電感充電，電感的電流上升，同時給負載和電容C1供電；當開關管S1截止時，電感的電流不能立即衰減為零，而是通過負載和續流二極管D2續流，電容C2給負載供電.

圖3中的（c）和（d）為Buck/Boost變換器升壓工作時的電路圖，此時開關管S2處于工作狀態，開關管S1處于截止狀態，通過改變S2的導通時間來控制變換器的輸出電壓V2.當開關管S2導通時，V1給電感L充電，電感的電流線性上升，負載由電容C2供電；當開關管S2截止時，電感的電流不能發生突變，電感產生了反向電壓，二極管D1導通，電感電流通過二極管給電容充電.

圖1 氫燃料電池混合動力系統Fig.1 Hydrogen fuel cell hybrid power system

圖2 雙向Buck/Boost變換器電路拓撲圖Fig.2 Circuit topology of bidirectional Buck/Boost converter

圖3 雙向Buck/Boost變換器工作狀態圖Fig.3 The working state diagram of the bidirectional Buck/Boost converter

2 主電路參數設計

通過分析變換器的工作原理可知，變換器共有兩種工作方式，即正向升壓和反向降壓.為了使變換器的每種工作狀態都能在最優狀態，應分別計算不同工作狀態下的電路參數.根據設計要求制定了表1的相關參數.

表1 雙向DC/DC變換器參數Tab.1 Specifications of bidirectional DC/DC converter

2.1 開關元器件的選擇

設計的變換器采用MOSFET為開關元器件.MOSFET一般選用N溝道，因為在相同情況下，N溝道MOSFET比P溝道MOSFET通態電阻小而且開關速度更快[7].由變換器的原理可知，S1和S2承受的最大電壓為60 V，考慮到電壓的波動等其他因素，額定電壓的選擇應留有20%～30%的余量，即MOSFET的額定電壓應至少大于72 V，或者更高.變換器的最大工作電流為50 A，一般允許紋波電流為10%～20%，所以流過MOSFET的最大電流為55A.

對于MOSFET的選取主要考慮如下幾個因素：漏極擊穿電壓VDS，最大漏極電流ID，通態電阻RDS(on)，開通時間ton，關斷時間toff[7-8]，綜合考慮，采用可以滿足參數設計要求的型號為IRF2807Z的開關管作為變換器的功率元器件.表2為該開關管的規格參數.

表2 開關管IRF2807Z規格參數Tab.2 Specifications of the switch IRF2807Z

2.2 儲能電感的設計

如圖2所示，電感L和電容C1、C2連接于輸入端和負載之間，形成了輸入端和輸出端的LC濾波電路，可以減小輸出電壓的紋波.在設計電感時，主要考慮臨界電感大小，確保變換器可以工作在電流連續狀態，還要考慮電感所承受的最小電流和輸出紋波大小[8].

占空比D越小臨界負載電流IOB就越大，最小負載電流IOmin也就越大，所以應取最小占空比D=0.2時的臨界負載電流.

將設計參數代入上式，得到L≥19.2μH；同理，可計算變換器在Boost模式下連續工作時結果相同.為了保證在最小負載電流和最小占空比時，電感電流連續，以及根據工程經驗，通常取1.2～1.4倍的計算值，最后取L=22μH.

2.3 濾波電容的設計

LC濾波電路的截止頻率為fC，變換器的諧波頻率為fS，為了使濾波效果更好，則需要較大的諧波衰減倍數，那么fC要遠遠小于fS.又因L和C越大，濾波效果越好.出于成本和實際情況的考慮，電容值不可能取很大，一般根據電壓紋波的大小來計算輸出濾波電容.

在一個工作周期中，C1的充電電荷

理論上電容值越大越好，這里取輸出電容C1=40μF，同理可計算得出電容C2=1200μF.電容的類型選擇瓷片電容，介質是瓷片，介質損耗小，適合于高頻電路，但是因為相對面積小，所以容量一般都不大，可采用電容并聯方式.

3 雙向DC/DC變換器控制電路設計

控制電路是DC/DC變換器的重要組成部分[9]，是直接影響整個變換器能否正常工作的關鍵.控制電路的結構圖如圖4所示，它主要由MOSFET驅動電路、PWM信號產生電路、電流檢測電路、電壓反饋電路等部分組成，圖4為雙向DC/DC變換器控制電路結構圖.

本文設計的電流/電壓可調雙向DC/DC變換器主要有兩種工作模式，分別是電流模式和電壓模式，可以根據需要切換到相應的模式.電流模式和電壓模式是控制電源輸出的兩種不同控制方式[10].圖5為雙向DC/DC變換器雙閉環控制原理圖.

圖4 雙向DC/DC變換器控制電路結構圖Fig.4 Control circuit structure of bidirectional DC/DC converter

電壓模式是指當輸入電壓變化、輸出負載變化、以及電源內部的參數變化時，控制電路將檢測被控制的電壓及電流信號，將它們與基準信號進行比較，然后將差值放大進行閉環反饋控制以調節主電路功率器件的導通脈沖寬度或開關頻率，從而保證系統輸出電壓的穩定.電壓模式的工作過程：電壓恒定不變，電流則從0到滿量程變化，在這種情況下，DC/DC變換器將電壓控制到一個不變的輸出值，同時根據負載的情況調節電流的變化.

圖5 雙向DC/DC變換器雙閉環控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of double closed-loop control of bidirectional DC/DC converter

電流模式不但包含電壓反饋， 而且包含電感電流反饋.電流模式的工作過程：將輸出電流調節并限定到需要的值.當電源按電流模式工作時，無論負載變化引起電壓如何變化，包括短路、電流都是恒定不變的.這兩種模式可以用來控制電源的連續輸出，但不能同時使用，但這兩種模式可以根據需要進行切換.

4 實驗驗證

通過搭建實驗平臺，主要對DC/DC變換器的電壓模式的閉環調節、電流模式的閉環調節、采集和實際測試的誤差進行測試和分析.

4.1 電壓模式測試

在電壓閉環的調試時，上位機通過CAN總線發送所需電壓值的信號給DC/DC變換器，DC/DC變換器的內部通過閉環的調節使輸出電壓達到指定的電壓值，這個過程是自動調節的，具有調節時間快，輸出穩定的特點.圖6是輸出電壓值從0～60 V的變化曲線，分別選取了17 V、22 V、27 V、35 V、40 V、45 V、50 V、55 V等設定電壓值進行測試，整個過程是通過DC/DC變換器內部的閉環控制進行的調節.從圖6中可以看出，電壓的數值依次發生變化，并且可以保證穩定地輸出.

圖6 電壓上升變化曲線Fig.6 Variation curve of voltage rise

4.2 電流模式測試

上位機通過CAN總線發送所需電壓值的信號給DC/DC變換器，DC/DC變換器的內部通過PI的調節使輸出電流的值達到指定值.在設定電流值固定時，在允許范圍內改變輸出功率，電流值不發生變化，電流設定值可以實時設定，這個過程是自動調節的，具有調節時間快，并且穩定輸出的特點.

圖7的測試情況為：負載電阻為1.5 Ω，依次增加電流設定值，測試增大電流設定值的有效性和穩定性.改變電流設定值依次為18 A、20 A、23 A、25 A，輸出電壓依次升高.從圖7測試數據的曲線可以看出：由于負載為固定阻值，隨著設定電流的增加，電壓隨之增加，在固定電流設定值的時間內，輸出電流可以保持穩定，表明電流輸出的穩定性和有效性.

圖7 輸出電壓和電流變化曲線Fig.7 Output voltage and current curve

圖8的測試情況為：負載電阻為1.5 Ω，依次減小電流設定值，測試減小電流設定值的有效性和穩定性.改變電流設定值依次為30 A、25 A、20 A，輸出電壓依次降低.從圖8測試數據的曲線可以看出：由于負載為固定阻值，隨著設定電流的減小，電壓隨之減小，在固定電流設定值的時間內，輸出電流可以保持穩定，表明電流輸出的穩定性和有效性.

圖8 輸出電壓和電流變化曲線Fig.8 Output voltage and current curve

4.3 電壓和電流的調節時間

電壓和電流的調節時間是DC/DC變換器主要指標參數之一[11]，是反映系統響應速度和阻尼程度的綜合指標.調節時間表現為控制系統受到擾動作用后，被控變量從原穩定狀態回復到新的平衡狀態所經歷的最短時間.

圖9是輸出電壓值從30 V變換至40 V的變化曲線，這個過程是通過DC/DC變換器內部的閉環控制進行的調節.可以從圖9中看出：從穩定的30 V變換至40 V，調節時間為0.4 s左右，并且可以保證穩定地輸出.

圖10是輸出電流值從17.5 A變換至21.5 A的變化曲線，這個過程是通過DC/DC變換器內部的閉環控制進行的調節.從圖10中可以看出：從穩定的17.5 A變換至21.5 A，調節時間為0.4 s左右，并且可以保證電流穩定地輸出.

圖9 輸出電壓響應變化曲線Fig.9 Response curve of output voltage

圖10 輸出電流響應變化曲線Fig.10 Response curve of output current

4.4 誤差分析

通過測試對DC/DC變換器電流和電壓的設定值、測量值和采集值數據進行分析.設定值是通過設置DC/DC變換器所需要輸出的電壓或電流值；采集值是通過采集系統采集到的電壓或電流值；測量值是DC/DC變換器實際輸出的電壓或電流值.在同一電流或電壓值下進行比較，來進行誤差分析.

1）電壓誤差分析

圖11為不同電壓值下，設定值、采集值以及測量值的變化曲線，從圖11中可以看出這3個值之間存在一定誤差.經過對數據的處理和分析，電壓的誤差值約為0.8 V，電壓誤差在合理的誤差范圍內.

2）電流誤差分析

圖12為不同電流值下，設定值、采集值以及測量值的變化曲線，從圖12中可以看出這3個值之間存在一定誤差.經過對數據的處理和分析，電流的誤差值約1～2A，電流誤差在合理的誤差范圍內.

圖11 電壓設定值和測量值以及采集值曲線Fig.11 Curve of voltage set value and measured value and acquired value

圖12 電流設定值和測量值以及采集值曲線Fig.12 Curve of current set value and measured value and acquired value

4.5 轉換效率

轉換效率是衡量DC/DC變換器性能的重要指標之一，在不同功率下加載對DC/DC變換器的轉換效率進行測試，通過計算DC/DC變換器的轉換效率.測試數據如表3所示.由表3可知，該DC/DC變換器的轉換效率達到了預期的參數要求.

表3 DC/DC變換器轉換效率Tab.3 DC/DC converter conversion efficiency

5 結論

根據燃料電池系統的需求設計了雙向DC/DC變換器，并根據實際的需求參數設計了硬件電路.通過實驗測試，該DC/DC變換器在功能上完全滿足系統各項功能的要求，可以實現1 600 W的額定工作功率，具有輸出電壓/電流可調節、控制精度高、響應速度快、效率高等特點，滿足了實際應用的性能需求.