大功率交错式燃料电池直流-直流变换器研究*

刘水心，王金宇，台述鹏，高大威

（1.清华大学车辆与运载学院，北京 100084；2.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；3.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

为了解决传统燃油汽车带来的环境污染和资源浪费等问题，新能源汽车产业被世界各国大力提倡。燃料电池汽车由于其能量转化效率高、续航里程较长并且能够实现零排放的优势，有着广阔的发展前景。

燃料电池汽车的动力系统结构如图1所示。燃料电池作为主要动力源，经氢气与氧气的化学反应，将化学能转变为电能并产生水，可以认为其污染物排放近似为零[1－2]。然而，以燃料电池作为汽车的主要动力源也存在着一些问题：燃料电池的输出特性较软，动态响应慢，输出电压波动较大，这无法满足车辆的整体需求，而且频繁变动的电流与电压也会对燃料电池造成不良影响，缩短其使用寿命[3]。为了解决这些问题、提高燃料电池的适用性，常常在动力系统中加入诸如高压蓄电池组或者超级电容等辅助动力源，这会造成各个动力源之间的电压、功率不匹配的问题，一般需要直流－直流（DC－DC）变换器来进行调配。

图1 燃料电池动力系统结构

燃料电池动力系统中的直流－直流变换器的作用主要有以下几点[4－6]。

（1）电压匹配：受自身性能和负载变化的影响，燃料电池汽车动力系统中的各个动力源，例如燃料电池、超级电容和蓄电池等，输出电压波动较大。而车辆上的负载，如转向系统、空调系统、驱动电机系统等，则要求输入电压稳定。这时，就需要直流－直流变换器进行电压上的匹配，实现电源与负载的电压解耦。

（2）功率控制：直流－直流变换器可以实现多个动力源之间的功率分配，从而实现对各个负载的有效控制，也可以让每个动力源尽可能发挥其作用。

（3）保护电化学动力源：直流－直流变换器通过控制各个动力源的输出，使得动力源工作在其许用范围之内，也可以降低燃料电池的电流纹波，保证各个动力源的安全，延长其使用寿命。

（4）燃料电池状态估计：通过直流－直流变换器对燃料电池输出电流、电压的控制，可以对燃料电池的电化学阻抗谱进行辨识，从而达到对燃料电池本身状态进行估计的目的。

燃料电池汽车动力系统所需的直流－直流变换器输出电压最高可达750 V，额定功率达到80 kW，属于大功率范畴，国内对大功率直流－直流变换器的研究大多集中在新能源汽车领域[7－9]。如何使直流－直流变换器兼具大功率和较高的功率密度是行业内的热点问题，本文从直流－直流变换器的拓扑结构和宽禁带半导体功率器件的使用入手，旨在研发出一种大功率、高性能、高功率密度的燃料电池直流－直流变换器。

1 直流－直流变换器硬件设计

1.1 四相交错式拓扑结构

为保证较高的能量转化效率，燃料电池汽车动力系统的直流－直流变换器常采用非隔离型直流－直流变换器。常见的非隔离型直流－直流变换器拓扑结构有Buck和Boost电路拓扑结构[10]。本文研究升压型直流－直流变换器，故选用Boost电路作为基本拓扑结构。为了满足燃料电池汽车动力系统的需要，直流－直流变换器需要有功率大、效率高、稳定性好、功率密度大和电压电流纹波小等特点，基本拓扑结构难以达到这些要求，因此本文采用交错式拓扑结构。

所谓交错式变换器拓扑结构是指N相小功率变换器模块两端口并联从而实现大功率直流电能变换的电路结构，在一个周期TS中，每一相电路的驱动信号的相位互差，它具有基本拓扑结构不具有的优势[11－13]。

（1）纹波减小：由于各相电流存在相位差，会抵消掉一部分电流纹波，使得整体的电流纹波减小，N相交错式结构输入电流纹波与单相电路之比和占空比以及相数的关系如图2所示。

图2 N相交错式结构与单相结构输入电流纹波之比

（2）功率密度提高：纹波的减小使得对输入输出滤波电容的要求降低，可以减小滤波电容的容值、体积和重量；各相支路均分总体的输入输出电流，使得储能电感的感值、体积和重量得以降低，从而提高功率密度。

（3）效率提高：相对而言，交错式拓扑结构的功率器件开关频率降低，可以降低开关损耗；各相支路的电流较小，可以降低通态损耗；并且可以通过合理分配各模块承担的负载的方式，使得系统在轻负荷下保持高效率。

（4）控制灵活：各相支路可以分别独立控制。

（5）电气应力降低：元器件电流应力降低；电压和电流纹波降低，开关过程中的电压尖峰降低，使得电压应力降低。

（6）可靠性提高：模块之间互为冗余；电气应力降低；容易实现热管理，从而提高可靠性。

（7）成本降低：模块化设计、电感和电容量减小、热管理难度下降、电气应力降低等优势均使成本降低。

车载燃料电池极化曲线如图3所示。直流－直流变换器的性能要求如表1所示。可见直流－直流变换器输入的电压范围为200~400 V，输出电压范围为400~750 V，经过计算，可知直流－直流变换器的工作占空比变化范围在20%~70%。根据图2的N相交错式拓扑结构与单相拓扑结构的输入电流纹波比可知，在这个占空比范围内四相交错式Boost电路拓扑结构的输入电流纹波较小，再综合考虑功率、系统控制难度等因素，最终确定为四相交错式Boost电路拓扑结构，如图4所示。

图3 车载燃料电池极化曲线

表1 直流－直流变换器性能要求

1.2 主电路器件选型

如图4所示，直流－直流变换器的主电路主要由功率MOSFET、功率二极管、储能电感和滤波电容构成。为了达到使用要求，需要对这些元件进行选型。

图4 四相交错式Boost电路

1.2.1 SiC功率器件

按照工作方式的不同，直流－直流变换器上用到的功率器件主要分为功率MOSFET和功率二极管，其为直流－直流变换器最重要的元件。随着电动汽车产业的发展，驱动系统对轻量化、紧凑型、高效性和可靠性提出了更高的要求，而传统的Si基器件在开关频率、电压阻断能力、正向导通压降、功率密度等很多方面都已经逼近甚至达到了其材料的本征极限，很难再有大的进步。为了满足电动汽车等产业的使用需要，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体材料的开发成为了行业内的热点问题[11]。

SiC器件耐高压、耐高温、高频特性好和损耗低的优势可以让电动汽车动力系统更加高效。综合考虑电流纹波、耐压值、额定电流等因素，选择SiC MOSFET和SiC功率二极管的耐压值应该大于最大输出电压750 V，额定电流应该大于每一相电路的最大电流123.5 A，每相Boost电路采用4个并联SiC MOSFET和4个并联的SiC功率二极管。

1.2.2 储能电感

储能电感的选型依据主要是其电感标称值和额定电流。

电感标称值主要影响输入电流纹波大小。设直流－直流变换器常用的驱动信号占空比最大为0.65，此时直流－直流变换器有最大输入电流纹波。最大纹波电流一般不超过最大电流的1%，直流－直流变换器最大电流Iimax≈494 A，均分至每一相支路的电流INmax≈123.5 A，交错式结构具有抵消电流纹波的作用，故每一相电路纹波要求可以适当放宽至5%，即

根据实验验证，标称值120μH即可满足输入电流纹波小于1%的要求；由于直流－直流变换器每一相最大电流为123.5 A，选择电感的额定电流为160 A。

1.2.3 滤波电容

滤波电容在电路中起到抑制电压纹波的作用，选型依据是其容值和耐压能力。

一般要求直流－直流变换器的电压纹波不大于1%，即ΔUmax≤1%Uomax＝7.5 V。经过实验验证，输入测滤波电容为120μH，输出测滤波电容值为160μH即可满足电压纹波要求。耐压能力方面，输出最大电压Uomax＝7.5 V，输入最大电压Uimax＝400 V。故选择输出侧滤波电容耐压值为900 V，输入侧滤波电容耐压值为600 V。

1.3 控制电路设计

除了主电路，控制电路的设计也十分重要，主要包括控制单元、采样电路、滤波调理电路、驱动电路和CAN通讯电路等。系统的硬件框图如图5所示。

图5 直流－直流变换器硬件

直流－直流变换器采用TI公司的32位浮点DSP——TMS320F28377D作为其主控芯片，通过CAN总线与上位机，即整车控制器通讯，其PWM模块可以输出4路相位差为90°的控制信号，并通过驱动模块产生驱动信号控制四相交错式Boost电路中的功率MOSFET的开关。电流、电压以及温度传感器将产生的电流、电压以及温度信号通过滤波调理电路，被A/D转换模块所采集，进而完成反馈控制、故障检测等功能。

2 直流－直流变换器的控制

将直流－直流变换器整体看作一个二端口系统，可供控制的量就有输入端电压电流和输出端电压电流4个物理量，可以针对这4个物理量实现单闭环或者双闭环控制。控制方法方面，随着数字控制的发展和应用，除了经典的PID控制之外，许多现代控制理论和方法，也可应用于直流－直流变换器的控制中去[14－15]。

2.1 控制方法分析

直流－直流变换器常用的控制方法有：经典PID控制，滑模变结构控制，自适应控制，神经网络控制等。PID控制的优点是算法简单、技术成熟且可靠性高，但是不适用于非线性系统；滑模变结构控制的优点是鲁棒性好，响应快速，但是其控制器设计复杂，系统易存在抖振现象；自适应控制的优点是控制参数实时更新抗干扰能力强，但在高频状态下难以保持控制系统的实时性；神经网络控制的动态响应良好，但是存在控制器设计复杂，计算量大的缺点。

虽然直流－直流变换器是变结构的强非线性系统，但是传统PID控制技术成熟、可靠性高且易于以模拟控制的方式实现，仍是目前最常用的直流－直流变换器控制方法。PID控制的实现不依赖模型，参数可以通过Ziegler－Nichol法等实验方法进行整定。有鉴于此，选择传统PID控制实现对直流－直流变换器的闭环控制。

2.2 控制模式分析

直流－直流变换器的控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式。

从直流－直流变换器本身的功能上来看，其输出电压需要具有稳定性好、纹波小等特点，所以需要对其输出电压进行精确控制。但是直流－直流变换器的四相支路的实际物理参数不可能完全相同，输出电压单闭环控制无法对四相Boost电路的电流实现均流，各相电路的电流值会出现较大差异，这会导致某一相支路的电流值先于其他相到达上限，从而缩短该相支路元件的使用寿命，甚至导致整个变换器的损坏。因此，在输出电压控制下，一般还需要引入电流内环，对每条支路的电感电流分别进行控制，形成双闭环控制，控制系统框图如图6所示。其中，Hu(s)和HiLN(s)是电压和电流A/D采样低通滤波环节，Gu(s)和HiLN(s)是电压和电流环PI控制器。

图6 双闭环控制

2.3 直流－直流变换器软件设计

直流－直流变换器控制程序由主程序、PWM中断服务程序、A/D转换中断服务程序、定时器中断服务程序、CAN通讯接收中断服务程序等部分构成。

（1）主程序：包括初始化程序、A/D采样自检程序和循环执行的状态监测与故障诊断和数据装载程序。

（2）PWM中断服务程序：其流程如图7所示，作为直流－直流变换器控制软件的核心，实现的功能有：限定直流－直流变换器被控制量的范围，读取上位机的控制模式指令和给定被控制量的参考值指令，并根据参考值计算对应的PWM占空比信号，判断占空比信号是否在限制范围内（一般为5%～95%），若在此范围内，就将该占空比进行移相并输出，若超出此范围，就将对应限制值移相并输出。

图7 PWM中断服务程序流程

（3）定时器中断服务程序：实现直流－直流变换器通过CAN总线定时向上位机发送数据、变换器工作时间定时、故障状态时间定时等对时间精度要求较高的功能。

（4）CAN通讯接收中断服务程序：实现直流－直流变换器从上位机接收控制模式、控制参数等指令数据的功能。

（5）A/D转换中断服务程序：主要功能是采集电压、电流和温度传感器的对应信号并进行滤波处理。

3 直流－直流变换器实验研究

3.1 样机与测试平台搭建

3.1.1 直流－直流变换器样机

图8所示为交错式直流－直流变换器的实验样机。该样机外部尺寸为363 mm×334 mm×120 mm，功率密度达到5.5 kW/L。采用水冷散热。外部接口包括输入正极接口2个。输出正极接口1个，负极接口3个，低压接头1个以及水冷接头2个。

图8 直流－直流变换器样机

3.1.2 上位机设计

基于Labview的上位机设计主要作用是模拟整车控制器的作用，对直流－直流变换器发出指令，例如控制模式、控制参数和目标电流、电压值等；接收直流－直流变换器发送的输入输出电压、电流数据并显示，界面如图9所示。

图9 Labview上位机界面

3.1.3 直流－直流变换器测试平台

直流－直流变换器测试平台如图10所示，主要包括燃料电池模拟装置、预充电及保护电路、直流－直流变换器及其上位机以及负载。

图10 阻性负载测试平台

3.2 直流－直流变换器实验测试

3.2.1 SiCMOSFET开关特性

当直流变换器工作在额定功率，即80 kW时，用示波器观察第一相电路的电感电流iL1和漏源极电压UDS1波形如图11所示，此时输入电压200 V，占空比为50%，负载为2Ω，PWM频率为55 kHz。

图11 额定功率时UDS1与iL1波形

可见在MOSFET开通时间约为0.26μs，漏源电压产生的振荡最大幅度约为漏源电压的6.17%，关断时间为0.26μs，漏源电压产生的振荡最大幅度约为漏源电压的8.58%，开关过程中电压产生尖峰的原因是杂散电感等线路中的寄生参数导致。电感电流平均值为105.96 A，纹波率为22.56%，表现出单相Boost电路纹波大的缺点。

3.2.2 输入电流纹波分析

工作在上述工况下的四相电感电流波形如图12所示。为了分析四相交错式拓扑结构的优势，计算四相电感电流之和，即四相交错式直流－直流变换器的输入电流如图13所示，再将第一相和第三相电感电流相加视为一个两相交错式直流－直流变换器的输入电流，如图14所示。由图2可知，相数N为2或者4，占空比为50%时都具有最小的输入电流纹波，但是由图13可知，四相电路此时的电流纹波率为1.06%，；而由图14可知，两相电路的电流纹波率为1.51%。可见四相交错式结构在纹波抑制上优于单相和两相的拓扑结构。

图12 额定功率下四相电感电流波形

图13 额定功率下四相输入电流波形

图14 额定功率下两相输入电流波形

3.2.3 变换器效率分析

为了保证燃料电池的能量尽可能被负载所用，直流－直流变换器需要保持较高效率。不同输入电压情况下，直流－直流变换器效率随着输入功率变化的趋势如图15所示。

图15 效率随功率变化趋势

可见在正常的输出功率范围内直流－直流变换器效率总体较高，在98.5%以上。输入电压在200 V时，效率随着功率的上升有先上升后下降的趋势，这是由于电感上的损耗和MOSFET的导通损耗变化的结果；输入电压为400 V时，效率比输入电压为200 V时更高。

4 结束语

通过对直流－直流变换器的设计、研发以及实验测试，得到以下结论：

（1）研发的燃料电池动力系统直流－直流变换器在输入、输出电压范围，输入、输出功率范围，纹波以及效率等方面均达到要求，功率密度较高，约为5.5 kW/L；

（2）额定功率下，电感电流平均值为105.96 A，通过对单相、两相和四相交错式拓扑结构的对比分析，四相交错式拓扑结构的输入电流纹波最小，约为1.06%，证明了拓扑结构选择的正确性；

（3）在正常的输出功率范围内，直流－直流变换器效率较高，在98.5%以上。