燃料电池车用DC/DC控制策略优化研究*

周雅夫，邵芳雪，黄立建，连静*



燃料电池车用DC/DC控制策略优化研究*

周雅夫1,2，邵芳雪1,2，黄立建1,2，连静1,2*

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.辽宁省节能与新能源汽车动力控制与整车技术重点实验室，辽宁 大连 116024）

为提高燃料电池的耐久性、解决燃料电池车用大功率DC/DC变换器存在的升压效率低的问题，基于三相交错式Boost型DC/DC拓扑结构，进行DC/DC变换器控制方法研究，提出DC/DC系统输入输出双重控制及多相交替驱动控制策略，使得DC/DC变换器不仅具有合适的输出电压，还能够使燃料电池输出电流平稳变化，有效改善了燃料电池的工作环境，实现了DC/DC在各个工作点的转换效率最大化。通过仿真和实验对该方法进行了验证，实验结果表明，该DC/DC在全部输出功率范围内转换效率大于93%的高效工作区域可达近100%，且最高效率可达98%，这对于燃料电池汽车动力系统是非常可观的。

燃料电池汽车；DC/DC变换器；多相控制；高效率

前言

近年来，随着环境和能源问题备受关注，燃料电池汽车作为新能源汽车的重点研究方向，具有零排放、燃料多样化、续驶里程长以及补充燃料时间短等优点，尽管如此，但由于燃料电池输出电压低、特性偏软[1]，且响应速度慢，导致其无法在车上独立应用；另外，车辆运行工况会使燃料电池始终工作在动态工况[2]，这会导致质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)输出电流发生高频波动，这些波动则会引起燃料电池内部水管理难度增加和反应气体供应不足，从而使燃料电池内部性能衰减[3]。为了提高燃料电池系统的适用性[4]和整车的经济性，燃料电池会外接其它储能元件作为辅助动力源，如动力电池组或者超级电容等[5]。为匹配燃料电池与辅助动力源间的电压，同时也为了提高燃料电池的耐久性，DC/DC变换器成为燃料电池汽车动力系统的关键部件[6]。

高效性是燃料电池汽车的重要评价指标，因而DC/DC变换器的转换效率对整个燃料电池汽车动力系统至关重要。目前国内大功率燃料电池的效率在40%～50%左右，燃料电池的输出功率经过DC/DC变换器后，会有一定的损耗[7]，即当燃料电池的效率为45%，DC/DC变换器的效率为94%时，则总体的效率变为42.3%；如果将DC/DC变换器的额定功率点的效率提高至96%，则燃料电池和DC/DC变换器总的效率上升到43.2%，提高了将近1个百分点，这对于燃料电池汽车动力系统是相当可观的。因此从控制角度考虑，DC/DC变换器控制系统要采用合理恰当的控制策略以提高DC/DC系统性能。目前，国内外已有多种燃料电池DC/DC变换器拓扑结构及控制策略，2010年Liang等[8]提出了LLC型功率变换器，该变换器的工作模式可选择在全桥或半桥模式，以此拓宽增益范围，但控制难度相对较大；2016年刘佳等[9]设计了推挽型DC/DC变换器，并通过数字化控制使其具有较强的抗负载扰动能力。

本文基于三相交错式Boost型DC/DC拓扑结构，提出DC/DC系统输入输出双重控制及多相交替驱动控制方法。在控制器的精确控制下，DC/DC变换器不仅具有提升电压的功能，还能够平稳燃料电池的输出电流，优化DC/DC系统转换效率，实现DC/DC系统在各个工作点的转换效率最大化。

1 DC/DC拓扑结构及工作模式分析

表1 车用10kW燃料电池DC/DC变换器参数

根据燃料电池特性，车用10kW燃料电池DC/DC变换器输入电压为90V-240V，输出电压为300V-450V，具体参数详见表1。

由于燃料电池电堆对其输出电流比较敏感，故本文采用了非隔离型三相交错式Boost拓扑结构，DC/DC变换器的拓扑结构如图1所示，其中L1、L2、L3分别是各相电路的升压电感，D1、D2、D3为功率二极管，S1、S2、S3为三相的IGBT开关器件，C1为输入电容，由C5、L4与C6组成π型滤波结构是为了减小输出电压纹波，使DC/DC的静态输出更加稳定。

图1 DC/DC变换器的拓扑结构

2 DC/DC系统控制方法

2.1 输入输出双重控制策略

现行的功率变换器控制模式通常分为输出电压控制模式和输出电流控制模式，虽然这些方法的控制电路结构简单、调试方便，但却会引发DC/DC输入电流产生较大的波动，从而造成燃料电池电堆的损伤，针对这一问题，本文研制的车用10kW DC/DC变换器采用了输入输出双重控制策略，所谓输入输出双重控制即输入电流按照给定规律变化，输出电压跟随负载变化，其控制流程图如图2所示，首先获取目标输出电压值、当前的实际输出电压值以及当前的输入电流值，根据实际输出电压与目标输出电压的偏差来改变当前的占空比，而占空比的增减量要受到当前状态下的输入电流值得限制，即单次调整占空比的增加量要保证输入电流的变化率不超过当前电流值的3%，单次占空比的减小量要保证输入电流的变化率不超过当前电流值的5%，该控制方法可以有效降低输出电压和输入电流纹波，减缓因输入电流变化引起的燃料电池寿命衰减。

图2 输入输出双重控制流程图

2.2 多相交替控制策略

DC/DC变换器采用多相交错式拓扑结构可以增加整个系统的功率等级，同时控制器将总功率平均分配到各相结构中，在降低开关器件IGBT上的电压和电流应力的同时可以避免开关管、二级管、输出电感等元器件过于疲劳，发热过于集中。但是，随着DC/DC变换器主电路相数的增加，相应的开关管的功率损耗也会成倍增加，图3是在相同输出功率4kW的条件下，不同工作相数下的DC/DC转换效率的仿真结果，从结果来看，采用单相工作的效率相比于三相来说，效率提高了1.3个百分点。因此，本文提出在小功率工作期间选择只利用部分功率器件工作从而提高转换效率。例如，在低负载下，单独使用一相比两相驱动更有效，这是因为，尽管两相驱动控制降低了每相的功率负载，但总损耗增加。

图3 DC/DC不同工作相数对应的转换效率

本文提出的多相切换控制技术，即根据需求功率确定最佳驱动相数以实现转换器效率最大化，如图4所示，区域Ⅰ所对应的小功率范围选择单相驱动，而且单相工作时可以采用三相交替工作，这样就避免了某一相的元器件疲劳使用，发热过于集中；区域Ⅱ所对应的中等功率范围则选择两相同时工作；区域Ⅲ部分的大功率范围即选择三相同时工作，从而保证了DC/DC变换器在全部输出功率范围内都工作在效率最高点，降低功率损失。

图4 功率与最佳驱动相数

3 实验验证

基于所设计的DC/DC变换器主回路搭建系统的实验样机，包括DC/DC主回路、控制电路及传感器、电气连接器和壳体等。DC/DC变换器主回路通过高压输入接口连接燃料电池输出，通过高压输出接口与负载相连，各传感器分别采集主回路中的电压、电流和温度等信号，该DC/DC的控制器的主控芯片采用的英飞凌Aurix系列TC275微处理器，充分发挥了其高主频、多核CPU等优点，使DC/DC控制更加安全稳定，DC/DC的实验样机如图5所示。

图5 DC/DC变换器实验样机

利用实验室高性能动态实验台架对本文所设计的DC/DC实验样机进行性能测试，该设备内置完全可编程电池模拟器，可以模拟燃料电池堆的特性，进行恒压、恒流、恒功率等多种模式控制。实验测试了DC/DC变换器全功率范围内的稳态性能，重点关注各个工作点下的输出电压纹波以及转换效率情况。图6为额定输出功率条件下的输出电压波形，DC/DC输出电压为408V时相应的电压纹波为2.5V，因此输出电压纹波系数为0.6%，满足输出电压纹波≤1%的要求。

图6 额定输出功率10.5kW条件下的输出电压波形

对于DC/DC的转换效率，实验分别测试了不同输入电压下的效率MAP图，图7-图10分别是输入电压为90V、130V、160V、200V时不同输出电压和输出电流对应的DC/DC转换效率。

图7 输入电压90V时DC/DC效率MAP图

由此可见，随着DC/DC变换器输入电压的升高，其转换效率也会越高。总体看来DC/DC转换器效率大于93%的高效工作区域近100%，最高效率可达98%，有效改善了燃料电池整车经济性。

图8 输入电压130V时DC/DC效率MAP图

图9 输入电压160V时DC/DC效率MAP图

图10 输入电压200V时DC/DC效率MAP

4 结论

本文针对燃料电池车用大功率DC/DC变换器存在的升压效率低、输入电流纹波大等问题，设计了三相交错式Boost型DC/DC拓扑结构，对变换器的工作在模式进行分析，提出了DC/DC系统输入输出双重控制策略及多相交替驱动控制方法，最后，搭建DC/DC变换器的实验样机，利用实验平台验证了DC/DC变换器的性能。实验结果表明，DC/DC变换器满足燃料电池汽车的驱动需要，不仅具有提升电压的功能，还能优化输出电压纹波，改善燃料电池工作环境；多相交替控制技术可以有效提高DC/DC系统的转换效率，改善燃料电池整车经济性，这对燃料电池动力系统具有重要意义。

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Research on control strategy optimization of DC/DC for fuel cell vehicles*

Zhou Yafu1,2, Shao Fangxue1,2, Huang Lijian1,2, Lian Jing1,2*

( 1.Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024; 2.Key Laboratory of Power Control &Manufacturing Technology for New Energy Vehicles, Liaoning Dalian 116024 )

In order to improve the durability of fuel cells and solve the problem of low boosting efficiency of the high-power DC/DC converter for fuel cell vehicles, control methods of the DC/DC converter are studied, based on the three-phase interleaved Boost DC/DC topology. The DC/DC system input-output dual control strategy and multi-phase alternate drive control method are proposed, so that the DC/DC converter not only has a suitable output voltage, but also can make the fuel cell output current to change smoothly and effectively improve the working environment of the fuel cell. The maximum efficiency of the DC/DC at each operating point is achieved. The method is verified by simulation calculation and experiment. The experimental results show that the high-efficiency working area of the DC/DC system with efficiency greater than 93% in the whole output power range can reach nearly 100%, and the highest efficiency can reach 98%, which is very meaningful for the fuel cell vehicles’ power systems.

Fuel cell vehicles; DC/DC converter; Multi-phase control;High efficiency

U469.7

A

1671-7988(2019)08-03-04

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周雅夫（1962-），男，大连理工大学汽车工程学院博士生导师，教授，研究方向：新能源汽车电子控制；

通讯作者：连静（1980-），女，大连理工大学汽车工程学院博士生导师，副教授，研究方向：新能源车辆动力总成控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.001