基于超級(jí)電容與燃料電池的雙向DC-DC電源設(shè)計(jì)

韓冬林，閆 婧，馮紅巖，翟曉晗

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙向DC-DC 轉(zhuǎn)換器電源能夠快速充放電，且充放電循環(huán)壽命可達(dá)百萬(wàn)次，因此在不間斷電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車系統(tǒng)、太陽(yáng)能及風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)都有其適用場(chǎng)合[1-2]。經(jīng)過(guò)近十年的持續(xù)研發(fā)，車用燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動(dòng)等方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，新一輪的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化浪潮正在迫近[3]。車用燃料電池在加載的初始階段，其輸出電壓下降較快，隨著負(fù)載電流的繼續(xù)增加，輸出電壓的下降斜率也比普通蓄電池大得多[4]，考慮到燃料電池輸出特性較軟這一問(wèn)題，利用超級(jí)電容快速充放電特性，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于燃料電池汽車的基于超級(jí)電容的雙向DC-DC 轉(zhuǎn)換器不僅可以優(yōu)化燃料電池特性，還可以延長(zhǎng)其使用壽命[5]。LM5170-Q1是TI公司生產(chǎn)的一款新型的多相雙向電流控制器芯片，內(nèi)部集成了電流檢測(cè)放大器、高電流柵極驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)保護(hù)功能模塊，為汽車48 和12 V 雙電池系統(tǒng)提供多相雙向電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用設(shè)計(jì)，在高壓和低壓端口之間調(diào)整平均電流流動(dòng)，電流調(diào)整精度可達(dá)1%，滿足汽車AEC-Q100規(guī)范，主要用于汽車雙電池系統(tǒng)、超級(jí)電容或電池備份電源轉(zhuǎn)換器[6]。采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器，本文設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容與燃料電池的車用雙向DC-DC 電源，將燃料電池作為高壓端口，將超級(jí)電容作為低壓端口，通過(guò)優(yōu)化燃料電池混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)精確控制超級(jí)電容與燃料電池之間雙向電流分配的功能。

1 燃料電池混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)構(gòu)成

由燃料電池與鋰離子動(dòng)力電池組構(gòu)成的混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)如圖1 所示，主要由燃料電池堆、單膜電壓檢測(cè)單元、燃料電池堆主控單元、升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器、鋰離子動(dòng)力電池組、鋰電池管理系統(tǒng)、整車電控單元ECU、牽引電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元組成。

圖1 燃料電池混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)框圖

燃料電池發(fā)電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對(duì)復(fù)雜的管理系統(tǒng)，通常包括燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、水熱管理及電控單元等子系統(tǒng)[7]。圖1 中的燃料電池堆主控單元通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換口采集燃料電池堆的傳感器信號(hào)，同時(shí)還通過(guò)數(shù)字I/O 口輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)燃料電池堆的執(zhí)行器工作。燃料電池堆的傳感器信號(hào)主要包括氫氣瓶壓力、氫氣進(jìn)出堆壓力、氫氣進(jìn)出堆溫度、空氣進(jìn)堆壓力、空氣進(jìn)堆溫度、空氣進(jìn)堆流量、冷卻液進(jìn)堆壓力、冷卻液進(jìn)出堆溫度、氫氣泄漏量PPM 值檢測(cè)，燃料電池堆的執(zhí)行器信號(hào)主要包括氫氣瓶供氣電磁閥、氫氣進(jìn)排氣電磁閥、空氣泵轉(zhuǎn)速控制器、冷卻液循環(huán)泵、內(nèi)外循環(huán)散熱風(fēng)扇等。圖1 中的單膜電壓檢測(cè)單元可以實(shí)時(shí)采集61 片膜電極單體的電壓信號(hào)C00～C61，燃料電池堆主控單元通過(guò)CAN1 通訊口完成與單膜電壓檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)CAN2 通訊口完成與鋰電池管理系統(tǒng)和升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)CAN3 通訊口完成與整車電控單元ECU 和雙向DC-DC 電源的數(shù)據(jù)通訊。

本文設(shè)計(jì)的基于超級(jí)電容與燃料電池的雙向DC-DC 電源控制電路位于燃料電池堆電壓輸出端與升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入端之間，其功能是利用超級(jí)電容快速充放電特性，當(dāng)車輛的牽引電機(jī)處于低功率輸出時(shí)，將燃料電池輸出的部分電能快速充電并儲(chǔ)存于超級(jí)電容模組中；當(dāng)車輛的牽引電機(jī)處于高功率輸出時(shí)，將儲(chǔ)存于超級(jí)電容模組中的電能快速放電至升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入端，從而解決實(shí)際車用工況中因反復(fù)加減速引起的燃料電池膜電極電位循環(huán)及耐久性衰減的難題[8]，從而達(dá)到實(shí)時(shí)優(yōu)化補(bǔ)償燃料電池輸出特性并延長(zhǎng)其使用壽命的設(shè)計(jì)目的。

2 雙向DC-DC 電源控制電路硬件設(shè)計(jì)

采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器芯片的雙向DCDC 轉(zhuǎn)換器電路拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 LM5170-Q1雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器電路拓?fù)?/p>

LM5170-Q1 的使能控制EN 信號(hào)、電流方向控制DIR 信號(hào)、電流設(shè)定值ISETD 信號(hào)均由MCU 芯片管腳輸出，LM5170-Q1 的電流檢測(cè)IMON 信號(hào)反饋給MCU 芯片的ADC轉(zhuǎn)換口，用來(lái)監(jiān)測(cè)DC-DC 轉(zhuǎn)換器的實(shí)際電流值。當(dāng)需要電流由高壓HV 側(cè)向低壓LV 側(cè)流動(dòng)時(shí)，LM5170-Q1 工作在Buck模式，反之則工作在Boost 模式[6]。

本文設(shè)計(jì)的采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器芯片的雙向DC-DC 電源控制電路如圖3 所示。

圖3 LM5170-Q1雙向DC-DC 轉(zhuǎn)換器電路原理圖

LM5170-Q1 芯片內(nèi)部集成了采用180 度交錯(cuò)運(yùn)行方式的2 相Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器，單個(gè)芯片可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 A 的雙向電流控制功能[6]，所以非常適用于燃料電池與超級(jí)電容組成的雙向DC-DC 電源系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用Microchip 公司的高性能數(shù)字信號(hào)控制器PIC30F4011 芯片作為MCU，PIC30F4011的RB0、RB1、RB2、RB3 管腳作為模擬量轉(zhuǎn)換口,其中ADC1、ADC2 分別采樣LM5170-Q1 的2 相 電流檢測(cè)IOUT1、IOUT2信號(hào)，ADC3、ADC4 分別采樣高壓側(cè)HV 和低壓側(cè)LV 的2 路電壓值，PIC30F4011 的RB4、RB5、RB6、RB7 管腳作為數(shù)字輸出口，分別控制LM5170-Q1 的UVLO、EN1、EN2、DIR，PIC30F4011 的RE8 管腳作為中斷輸入口，監(jiān)測(cè)LM5170-Q1 的故障報(bào)警FAULT 信號(hào)的電平變化，PIC30F4011 的RE0 管腳作為PWM 輸出口，通過(guò)改變PWM 的占空比來(lái)調(diào)整LM5170-Q1的電流設(shè)定值ISETD。LM5170-Q1 的電流設(shè)定值ISETD 信號(hào)PWM 最大占空比由公式(1)確定：

式中：IMAX為L(zhǎng)M5170-Q1 的每相電流最大值；RS為每相電流采樣電阻值。本設(shè)計(jì)中IMAX為30 A，RS為1 mΩ，DUTYPWM最大值為52.8%。

3 雙向DC-DC 電源控制電路軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)閷?shí)際的車輛在不同工況下運(yùn)行，負(fù)載變化頻繁，而燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，需要輔助動(dòng)力源提供能量，抑制能量波動(dòng)，才能使整車保持良好的動(dòng)態(tài)性能[4]，所以在雙向DC-DC 電源控制程序設(shè)計(jì)中必須綜合考慮車輛牽引電機(jī)的功率需求與燃料電池堆允許輸出功率之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，爭(zhēng)取讓燃料電池膜電極單體電壓能夠運(yùn)行在0.6～0.9 V 的最佳工作區(qū)之內(nèi)，同時(shí)又能最大限度地保證車輛的動(dòng)態(tài)性能。本文設(shè)計(jì)的雙向DC-DC 電源控制電路軟件流程如圖4 所示。

圖4 雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器軟件流程

圖4 中：UHV、ULV分別為高壓端口燃料電池及低壓端口超級(jí)電容模組的實(shí)時(shí)電壓值；IH、IL分別為燃料電池堆當(dāng)前允許輸出電流的上限值及下限值，燃料電池堆主控單元根據(jù)氫氣進(jìn)出堆壓力、空氣進(jìn)堆壓力、空氣進(jìn)堆流量、冷卻液進(jìn)出堆溫度等傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算燃料電池堆允許輸出電流的上限值及下限值；IT為升壓式DC-DC 的當(dāng)前輸出電流值；ULV_MIN、ULV_MAX分別為超級(jí)電容模組的最小放電電壓值及最大充電電壓值。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容與燃料電池的雙向DC-DC 電源，其控制電路采用新型的多相雙向電流控制器LM5170-Q1，充分利用了該芯片內(nèi)部集成的電流檢測(cè)放大器、高電流柵極驅(qū)動(dòng)器等功能模塊，通過(guò)優(yōu)化控制電路的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)車輛牽引電機(jī)的功率需求實(shí)時(shí)計(jì)算并控制燃料電池功率輸出與超級(jí)電容模組充放電之間動(dòng)態(tài)平衡的設(shè)計(jì)目標(biāo)。