燃料电池混合动力汽车可调双向DC/DC变换器设计

王召杰，宾 洋，2，罗文广*，赵绍伟，刘德成

（1．广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 545006；2.重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400054）

0 引言

目前，全球能源与环境问题日渐突出，世界各国都在积极寻求解决方案，特别是在新能源领域.我国新能源汽车产销规模全球领先，过去几年里连续成为全球新能源汽车产销第一大国，而这一趋势还在呈螺旋式递增.新能源汽车类型之一的燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）与传统汽车相比，可以实现0排放，减少污染，降低了气体的排放，提高了燃油经济性，提高了发动机燃烧效率，运行平稳、无噪声.因此，被认为是实现汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源与环境问题的理想方案之一[1-3].单向DC/DC变换器是单向导通，只能实现能量的单向流动，不能反向工作，但是在燃料电池汽车的动力系统中，需要DC/DC变换器能实现能量的双向流动.如果用单向DC/DC变换器搭建，则需要两个变换器反向并联重新组合，这样就涉及电路复杂、体积变大、成本高等问题，因此，需选用双向DC/DC变换器来实现能量的双向流动.双向DC/DC变换器又分为隔离型和非隔离型，一般来说，隔离型的原边和副边都有电感绕组，而非隔离型的只有单个电感[4].在大功率和对地线干扰防护要求比较高的时候使用隔离型，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离型.由于本次设计的变换器应用场景为燃料电池混合动力汽车的动力系统，因此，最终选用非隔离型双向Buck/Boost变换器作为电路的主拓扑，设计了燃料电池混合动力汽车动力系统中的电流/电压可调双向DC/DC变换器.为了提高双向DC/DC变换器的性能，对元器件参数进行选型，并且对硬件电路进行了设计，可以实现体积小、重量轻、工作效率高、稳定性和动态性能好等要求，最后通过实验进行了验证.

1 双向DC/DC变换器的拓扑结构及其工作原理

图1为典型的燃料电池混合动力汽车的动力系统，本文所讨论的，即为图中的双向DC/DC变换器.当汽车突然启动、加速时，双向DC/DC变换器以Boost模式工作，超级电容提供瞬时需求功率；当刹车或制动时，双向DC/DC变换器以Buck模式工作，可以将产生的多余能量存储起来[5-6].双向DC/DC变换器是燃料电池和动力电池以及超级电容之间能量转换的桥梁，可以优化电动机的控制，实现动力系统的能量分配，提高燃料电池汽车的整体效率.

双向Buck/Boost变换器的电路拓扑结构如图2所示，通过两个功率开关管互补导通来进行工作.当变换器工作在Buck模式时，能量由V2流向V1，此时功率开关管S2处于导通状态，S1处于截止状态，D1和D2在变换器工作中充当续流二极管的作用；当变换器工作在Boost模式时，能量从V1流向V2，此时功率开关管S1处于导通状态，S2处于截止状态.双向Buck/Boost变换器体现出了电压应力、电流应力最小的优势，工作时开关的损耗比较小，与其他类型的变换器相比，具有较高的工作效率.

图3为双向Buck/Boost变换器工作状态图，图3中的（a）和（b）为Buck/Boost变换器降压工作时的电路图，此时开关管S1处于工作状态，开关管S2处于截止状态，通过改变S1的导通时间来控制变换器的输出电压V1.当开关管S1导通时，V2将会给电感充电，电感的电流上升，同时给负载和电容C1供电；当开关管S1截止时，电感的电流不能立即衰减为零，而是通过负载和续流二极管D2续流，电容C2给负载供电.

图3中的（c）和（d）为Buck/Boost变换器升压工作时的电路图，此时开关管S2处于工作状态，开关管S1处于截止状态，通过改变S2的导通时间来控制变换器的输出电压V2.当开关管S2导通时，V1给电感L充电，电感的电流线性上升，负载由电容C2供电；当开关管S2截止时，电感的电流不能发生突变，电感产生了反向电压，二极管D1导通，电感电流通过二极管给电容充电.

图1 氢燃料电池混合动力系统Fig.1 Hydrogen fuel cell hybrid power system

图2 双向Buck/Boost变换器电路拓扑图Fig.2 Circuit topology of bidirectional Buck/Boost converter

图3 双向Buck/Boost变换器工作状态图Fig.3 The working state diagram of the bidirectional Buck/Boost converter

2 主电路参数设计

通过分析变换器的工作原理可知，变换器共有两种工作方式，即正向升压和反向降压.为了使变换器的每种工作状态都能在最优状态，应分别计算不同工作状态下的电路参数.根据设计要求制定了表1的相关参数.

表1 双向DC/DC变换器参数Tab.1 Specifications of bidirectional DC/DC converter

2.1 开关元器件的选择

设计的变换器采用MOSFET为开关元器件.MOSFET一般选用N沟道，因为在相同情况下，N沟道MOSFET比P沟道MOSFET通态电阻小而且开关速度更快[7].由变换器的原理可知，S1和S2承受的最大电压为60 V，考虑到电压的波动等其他因素，额定电压的选择应留有20%～30%的余量，即MOSFET的额定电压应至少大于72 V，或者更高.变换器的最大工作电流为50 A，一般允许纹波电流为10%～20%，所以流过MOSFET的最大电流为55A.

对于MOSFET的选取主要考虑如下几个因素：漏极击穿电压VDS，最大漏极电流ID，通态电阻RDS(on)，开通时间ton，关断时间toff[7-8]，综合考虑，采用可以满足参数设计要求的型号为IRF2807Z的开关管作为变换器的功率元器件.表2为该开关管的规格参数.

表2 开关管IRF2807Z规格参数Tab.2 Specifications of the switch IRF2807Z

2.2 储能电感的设计

如图2所示，电感L和电容C1、C2连接于输入端和负载之间，形成了输入端和输出端的LC滤波电路，可以减小输出电压的纹波.在设计电感时，主要考虑临界电感大小，确保变换器可以工作在电流连续状态，还要考虑电感所承受的最小电流和输出纹波大小[8].

占空比D越小临界负载电流IOB就越大，最小负载电流IOmin也就越大，所以应取最小占空比D=0.2时的临界负载电流.

将设计参数代入上式，得到L≥19.2μH；同理，可计算变换器在Boost模式下连续工作时结果相同.为了保证在最小负载电流和最小占空比时，电感电流连续，以及根据工程经验，通常取1.2～1.4倍的计算值，最后取L=22μH.

2.3 滤波电容的设计

LC滤波电路的截止频率为fC，变换器的谐波频率为fS，为了使滤波效果更好，则需要较大的谐波衰减倍数，那么fC要远远小于fS.又因L和C越大，滤波效果越好.出于成本和实际情况的考虑，电容值不可能取很大，一般根据电压纹波的大小来计算输出滤波电容.

在一个工作周期中，C1的充电电荷

理论上电容值越大越好，这里取输出电容C1=40μF，同理可计算得出电容C2=1200μF.电容的类型选择瓷片电容，介质是瓷片，介质损耗小，适合于高频电路，但是因为相对面积小，所以容量一般都不大，可采用电容并联方式.

3 双向DC/DC变换器控制电路设计

控制电路是DC/DC变换器的重要组成部分[9]，是直接影响整个变换器能否正常工作的关键.控制电路的结构图如图4所示，它主要由MOSFET驱动电路、PWM信号产生电路、电流检测电路、电压反馈电路等部分组成，图4为双向DC/DC变换器控制电路结构图.

本文设计的电流/电压可调双向DC/DC变换器主要有两种工作模式，分别是电流模式和电压模式，可以根据需要切换到相应的模式.电流模式和电压模式是控制电源输出的两种不同控制方式[10].图5为双向DC/DC变换器双闭环控制原理图.

图4 双向DC/DC变换器控制电路结构图Fig.4 Control circuit structure of bidirectional DC/DC converter

电压模式是指当输入电压变化、输出负载变化、以及电源内部的参数变化时，控制电路将检测被控制的电压及电流信号，将它们与基准信号进行比较，然后将差值放大进行闭环反馈控制以调节主电路功率器件的导通脉冲宽度或开关频率，从而保证系统输出电压的稳定.电压模式的工作过程：电压恒定不变，电流则从0到满量程变化，在这种情况下，DC/DC变换器将电压控制到一个不变的输出值，同时根据负载的情况调节电流的变化.

图5 双向DC/DC变换器双闭环控制原理图Fig.5 Schematic diagram of double closed-loop control of bidirectional DC/DC converter

电流模式不但包含电压反馈， 而且包含电感电流反馈.电流模式的工作过程：将输出电流调节并限定到需要的值.当电源按电流模式工作时，无论负载变化引起电压如何变化，包括短路、电流都是恒定不变的.这两种模式可以用来控制电源的连续输出，但不能同时使用，但这两种模式可以根据需要进行切换.

4 实验验证

通过搭建实验平台，主要对DC/DC变换器的电压模式的闭环调节、电流模式的闭环调节、采集和实际测试的误差进行测试和分析.

4.1 电压模式测试

在电压闭环的调试时，上位机通过CAN总线发送所需电压值的信号给DC/DC变换器，DC/DC变换器的内部通过闭环的调节使输出电压达到指定的电压值，这个过程是自动调节的，具有调节时间快，输出稳定的特点.图6是输出电压值从0～60 V的变化曲线，分别选取了17 V、22 V、27 V、35 V、40 V、45 V、50 V、55 V等设定电压值进行测试，整个过程是通过DC/DC变换器内部的闭环控制进行的调节.从图6中可以看出，电压的数值依次发生变化，并且可以保证稳定地输出.

图6 电压上升变化曲线Fig.6 Variation curve of voltage rise

4.2 电流模式测试

上位机通过CAN总线发送所需电压值的信号给DC/DC变换器，DC/DC变换器的内部通过PI的调节使输出电流的值达到指定值.在设定电流值固定时，在允许范围内改变输出功率，电流值不发生变化，电流设定值可以实时设定，这个过程是自动调节的，具有调节时间快，并且稳定输出的特点.

图7的测试情况为：负载电阻为1.5 Ω，依次增加电流设定值，测试增大电流设定值的有效性和稳定性.改变电流设定值依次为18 A、20 A、23 A、25 A，输出电压依次升高.从图7测试数据的曲线可以看出：由于负载为固定阻值，随着设定电流的增加，电压随之增加，在固定电流设定值的时间内，输出电流可以保持稳定，表明电流输出的稳定性和有效性.

图7 输出电压和电流变化曲线Fig.7 Output voltage and current curve

图8的测试情况为：负载电阻为1.5 Ω，依次减小电流设定值，测试减小电流设定值的有效性和稳定性.改变电流设定值依次为30 A、25 A、20 A，输出电压依次降低.从图8测试数据的曲线可以看出：由于负载为固定阻值，随着设定电流的减小，电压随之减小，在固定电流设定值的时间内，输出电流可以保持稳定，表明电流输出的稳定性和有效性.

图8 输出电压和电流变化曲线Fig.8 Output voltage and current curve

4.3 电压和电流的调节时间

电压和电流的调节时间是DC/DC变换器主要指标参数之一[11]，是反映系统响应速度和阻尼程度的综合指标.调节时间表现为控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间.

图9是输出电压值从30 V变换至40 V的变化曲线，这个过程是通过DC/DC变换器内部的闭环控制进行的调节.可以从图9中看出：从稳定的30 V变换至40 V，调节时间为0.4 s左右，并且可以保证稳定地输出.

图10是输出电流值从17.5 A变换至21.5 A的变化曲线，这个过程是通过DC/DC变换器内部的闭环控制进行的调节.从图10中可以看出：从稳定的17.5 A变换至21.5 A，调节时间为0.4 s左右，并且可以保证电流稳定地输出.

图9 输出电压响应变化曲线Fig.9 Response curve of output voltage

图10 输出电流响应变化曲线Fig.10 Response curve of output current

4.4 误差分析

通过测试对DC/DC变换器电流和电压的设定值、测量值和采集值数据进行分析.设定值是通过设置DC/DC变换器所需要输出的电压或电流值；采集值是通过采集系统采集到的电压或电流值；测量值是DC/DC变换器实际输出的电压或电流值.在同一电流或电压值下进行比较，来进行误差分析.

1）电压误差分析

图11为不同电压值下，设定值、采集值以及测量值的变化曲线，从图11中可以看出这3个值之间存在一定误差.经过对数据的处理和分析，电压的误差值约为0.8 V，电压误差在合理的误差范围内.

2）电流误差分析

图12为不同电流值下，设定值、采集值以及测量值的变化曲线，从图12中可以看出这3个值之间存在一定误差.经过对数据的处理和分析，电流的误差值约1～2A，电流误差在合理的误差范围内.

图11 电压设定值和测量值以及采集值曲线Fig.11 Curve of voltage set value and measured value and acquired value

图12 电流设定值和测量值以及采集值曲线Fig.12 Curve of current set value and measured value and acquired value

4.5 转换效率

转换效率是衡量DC/DC变换器性能的重要指标之一，在不同功率下加载对DC/DC变换器的转换效率进行测试，通过计算DC/DC变换器的转换效率.测试数据如表3所示.由表3可知，该DC/DC变换器的转换效率达到了预期的参数要求.

表3 DC/DC变换器转换效率Tab.3 DC/DC converter conversion efficiency

5 结论

根据燃料电池系统的需求设计了双向DC/DC变换器，并根据实际的需求参数设计了硬件电路.通过实验测试，该DC/DC变换器在功能上完全满足系统各项功能的要求，可以实现1 600 W的额定工作功率，具有输出电压/电流可调节、控制精度高、响应速度快、效率高等特点，满足了实际应用的性能需求.