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1、燃料电池车载大功率 DCDC变换器的设计与应用时间：2009-07-30 2745 次阅读 【网友评论 0条 我要评论】 收藏 1，前言DC/DC变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 U
2、fc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，在燃料电池与汽车驱动
3、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/DC变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（SEPIC）等六种1。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
4、D2构成。Q1 和 Q2为 PWM工作方式，互补导通，有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为 V2V1=Dy(1-Dy),式中，Dy 为 图 3 双向 Zeta-Sepic直流变换器设计电路图 图 4 能量从 V1向 V2流动 图 5 能量从 V2向 V1方向流动 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 Dy0.5，故 V2V1，I1I2，I1 为电源电流平均值，I2 为输出电流平均值。并且IL1IL2，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
5、器件承受的电压VQ=VD=V1+V2=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 Dy0.5，V2V1，I1I2，故IL1IL2，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
6、亦为零电压开通，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/DC变换器的核心组件，车载 DC/DC变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/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图 7所示。 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
7、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。 MC9S12D64 共有 8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA 三个引脚的状态来实现5。增强了应用的可选择性。控制单元通过 CAN通讯网络接受整车控制器的指令，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通讯网络。同时读取温度传感器的值，根据要求适时的启动散热风扇。3.2CAN通讯硬件接口电路做为燃料电池车的 DC/DC变换模
8、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通讯接口硬件设计如图 8所示，其中 82C250是 CAN控制器和物理总线间的接口4，它和 CAN控制器之间采用光隔 P113以提高系统的抗干扰能力。 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 CAN网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 WBV151S07,为电压隔离传感器，输入范围为 075mV,输出为05V，供电为12V。被测母线通过分流
9、，将电流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的 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/DC变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 DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器 DS18B20。它的
10、测量范围为50到125，精度可达 0.1，不需要 A/D转换，直接将温度值转换为数字量。DS18B20 严格的遵守单线串行通信协议，每一个 DS18B20在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 DS18B20可以采用一线进行通信的原因。工作中控制单元对 DS18B20的操作以 ROM命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(ECH)命令。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
11、源供电方式(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 HC12和 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 BDM方式, 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/DC变换器设计三种工作模式，
12、使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下 DC/DC处于未被启动状况，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/DC变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。4.2DC/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/DC 变换器则根据相应的协议向整车 CAN网上传数据，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/DC 变换器的协议包
13、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/DC变换器的工作主流程图，此外，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。 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做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/DC 电路采用没有隔离的双向 Zeta-Sepic 直流变换器电路，可靠稳定，适应燃料电池车的工作要求。采用车用微控制器 MC9SD64为 DC/DC变换器的控制单元，提高了现场的抗干扰能力，确保 DC/DC变换器在电磁环境较为恶劣，电磁干扰因素居多环境下正常运行。采用数字温度传感器 DS18B20检测散热器温度，使温度检测系统结构简单，抗干扰能力强，精度高；利用 CAN总线与整车 CAN网通讯，与整车通讯协议匹配，保证通信流畅，提高了 DC/DC变换器的通信的抗干扰能力。
