周雅夫，邵芳雪，黃立建，連靜*

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燃料電池車用DC/DC控制策略優(yōu)化研究*

周雅夫1,2，邵芳雪1,2，黃立建1,2，連靜1,2*

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.遼寧省節(jié)能與新能源汽車動力控制與整車技術重點實驗室，遼寧 大連 116024）

為提高燃料電池的耐久性、解決燃料電池車用大功率DC/DC變換器存在的升壓效率低的問題，基于三相交錯式Boost型DC/DC拓撲結構，進行DC/DC變換器控制方法研究，提出DC/DC系統(tǒng)輸入輸出雙重控制及多相交替驅動控制策略，使得DC/DC變換器不僅具有合適的輸出電壓，還能夠使燃料電池輸出電流平穩(wěn)變化，有效改善了燃料電池的工作環(huán)境，實現(xiàn)了DC/DC在各個工作點的轉換效率最大化。通過仿真和實驗對該方法進行了驗證，實驗結果表明，該DC/DC在全部輸出功率范圍內轉換效率大于93%的高效工作區(qū)域可達近100%，且最高效率可達98%，這對于燃料電池汽車動力系統(tǒng)是非?？捎^的。

燃料電池汽車；DC/DC變換器；多相控制；高效率

前言

近年來，隨著環(huán)境和能源問題備受關注，燃料電池汽車作為新能源汽車的重點研究方向，具有零排放、燃料多樣化、續(xù)駛里程長以及補充燃料時間短等優(yōu)點，盡管如此，但由于燃料電池輸出電壓低、特性偏軟[1]，且響應速度慢，導致其無法在車上獨立應用；另外，車輛運行工況會使燃料電池始終工作在動態(tài)工況[2]，這會導致質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)輸出電流發(fā)生高頻波動，這些波動則會引起燃料電池內部水管理難度增加和反應氣體供應不足，從而使燃料電池內部性能衰減[3]。為了提高燃料電池系統(tǒng)的適用性[4]和整車的經濟性，燃料電池會外接其它儲能元件作為輔助動力源，如動力電池組或者超級電容等[5]。為匹配燃料電池與輔助動力源間的電壓，同時也為了提高燃料電池的耐久性，DC/DC變換器成為燃料電池汽車動力系統(tǒng)的關鍵部件[6]。

高效性是燃料電池汽車的重要評價指標，因而DC/DC變換器的轉換效率對整個燃料電池汽車動力系統(tǒng)至關重要。目前國內大功率燃料電池的效率在40%～50%左右，燃料電池的輸出功率經過DC/DC變換器后，會有一定的損耗[7]，即當燃料電池的效率為45%，DC/DC變換器的效率為94%時，則總體的效率變?yōu)?2.3%；如果將DC/DC變換器的額定功率點的效率提高至96%，則燃料電池和DC/DC變換器總的效率上升到43.2%，提高了將近1個百分點，這對于燃料電池汽車動力系統(tǒng)是相當可觀的。因此從控制角度考慮，DC/DC變換器控制系統(tǒng)要采用合理恰當?shù)目刂撇呗砸蕴岣逥C/DC系統(tǒng)性能。目前，國內外已有多種燃料電池DC/DC變換器拓撲結構及控制策略，2010年Liang等[8]提出了LLC型功率變換器，該變換器的工作模式可選擇在全橋或半橋模式，以此拓寬增益范圍，但控制難度相對較大；2016年劉佳等[9]設計了推挽型DC/DC變換器，并通過數(shù)字化控制使其具有較強的抗負載擾動能力。

本文基于三相交錯式Boost型DC/DC拓撲結構，提出DC/DC系統(tǒng)輸入輸出雙重控制及多相交替驅動控制方法。在控制器的精確控制下，DC/DC變換器不僅具有提升電壓的功能，還能夠平穩(wěn)燃料電池的輸出電流，優(yōu)化DC/DC系統(tǒng)轉換效率，實現(xiàn)DC/DC系統(tǒng)在各個工作點的轉換效率最大化。

1 DC/DC拓撲結構及工作模式分析

表1 車用10kW燃料電池DC/DC變換器參數(shù)

根據燃料電池特性，車用10kW燃料電池DC/DC變換器輸入電壓為90V-240V，輸出電壓為300V-450V，具體參數(shù)詳見表1。

由于燃料電池電堆對其輸出電流比較敏感，故本文采用了非隔離型三相交錯式Boost拓撲結構，DC/DC變換器的拓撲結構如圖1所示，其中L1、L2、L3分別是各相電路的升壓電感，D1、D2、D3為功率二極管，S1、S2、S3為三相的IGBT開關器件，C1為輸入電容，由C5、L4與C6組成π型濾波結構是為了減小輸出電壓紋波，使DC/DC的靜態(tài)輸出更加穩(wěn)定。

圖1 DC/DC變換器的拓撲結構

2 DC/DC系統(tǒng)控制方法

2.1 輸入輸出雙重控制策略

現(xiàn)行的功率變換器控制模式通常分為輸出電壓控制模式和輸出電流控制模式，雖然這些方法的控制電路結構簡單、調試方便，但卻會引發(fā)DC/DC輸入電流產生較大的波動，從而造成燃料電池電堆的損傷，針對這一問題，本文研制的車用10kW DC/DC變換器采用了輸入輸出雙重控制策略，所謂輸入輸出雙重控制即輸入電流按照給定規(guī)律變化，輸出電壓跟隨負載變化，其控制流程圖如圖2所示，首先獲取目標輸出電壓值、當前的實際輸出電壓值以及當前的輸入電流值，根據實際輸出電壓與目標輸出電壓的偏差來改變當前的占空比，而占空比的增減量要受到當前狀態(tài)下的輸入電流值得限制，即單次調整占空比的增加量要保證輸入電流的變化率不超過當前電流值的3%，單次占空比的減小量要保證輸入電流的變化率不超過當前電流值的5%，該控制方法可以有效降低輸出電壓和輸入電流紋波，減緩因輸入電流變化引起的燃料電池壽命衰減。

圖2 輸入輸出雙重控制流程圖

2.2 多相交替控制策略

DC/DC變換器采用多相交錯式拓撲結構可以增加整個系統(tǒng)的功率等級，同時控制器將總功率平均分配到各相結構中，在降低開關器件IGBT上的電壓和電流應力的同時可以避免開關管、二級管、輸出電感等元器件過于疲勞，發(fā)熱過于集中。但是，隨著DC/DC變換器主電路相數(shù)的增加，相應的開關管的功率損耗也會成倍增加，圖3是在相同輸出功率4kW的條件下，不同工作相數(shù)下的DC/DC轉換效率的仿真結果，從結果來看，采用單相工作的效率相比于三相來說，效率提高了1.3個百分點。因此，本文提出在小功率工作期間選擇只利用部分功率器件工作從而提高轉換效率。例如，在低負載下，單獨使用一相比兩相驅動更有效，這是因為，盡管兩相驅動控制降低了每相的功率負載，但總損耗增加。

圖3 DC/DC不同工作相數(shù)對應的轉換效率

本文提出的多相切換控制技術，即根據需求功率確定最佳驅動相數(shù)以實現(xiàn)轉換器效率最大化，如圖4所示，區(qū)域Ⅰ所對應的小功率范圍選擇單相驅動，而且單相工作時可以采用三相交替工作，這樣就避免了某一相的元器件疲勞使用，發(fā)熱過于集中；區(qū)域Ⅱ所對應的中等功率范圍則選擇兩相同時工作；區(qū)域Ⅲ部分的大功率范圍即選擇三相同時工作，從而保證了DC/DC變換器在全部輸出功率范圍內都工作在效率最高點，降低功率損失。

圖4 功率與最佳驅動相數(shù)

3 實驗驗證

基于所設計的DC/DC變換器主回路搭建系統(tǒng)的實驗樣機，包括DC/DC主回路、控制電路及傳感器、電氣連接器和殼體等。DC/DC變換器主回路通過高壓輸入接口連接燃料電池輸出，通過高壓輸出接口與負載相連，各傳感器分別采集主回路中的電壓、電流和溫度等信號，該DC/DC的控制器的主控芯片采用的英飛凌Aurix系列TC275微處理器，充分發(fā)揮了其高主頻、多核CPU等優(yōu)點，使DC/DC控制更加安全穩(wěn)定，DC/DC的實驗樣機如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器實驗樣機

利用實驗室高性能動態(tài)實驗臺架對本文所設計的DC/DC實驗樣機進行性能測試，該設備內置完全可編程電池模擬器，可以模擬燃料電池堆的特性，進行恒壓、恒流、恒功率等多種模式控制。實驗測試了DC/DC變換器全功率范圍內的穩(wěn)態(tài)性能，重點關注各個工作點下的輸出電壓紋波以及轉換效率情況。圖6為額定輸出功率條件下的輸出電壓波形，DC/DC輸出電壓為408V時相應的電壓紋波為2.5V，因此輸出電壓紋波系數(shù)為0.6%，滿足輸出電壓紋波≤1%的要求。

圖6 額定輸出功率10.5kW條件下的輸出電壓波形

對于DC/DC的轉換效率，實驗分別測試了不同輸入電壓下的效率MAP圖，圖7-圖10分別是輸入電壓為90V、130V、160V、200V時不同輸出電壓和輸出電流對應的DC/DC轉換效率。

圖7 輸入電壓90V時DC/DC效率MAP圖

由此可見，隨著DC/DC變換器輸入電壓的升高，其轉換效率也會越高。總體看來DC/DC轉換器效率大于93%的高效工作區(qū)域近100%，最高效率可達98%，有效改善了燃料電池整車經濟性。

圖8 輸入電壓130V時DC/DC效率MAP圖

圖9 輸入電壓160V時DC/DC效率MAP圖

圖10 輸入電壓200V時DC/DC效率MAP

4 結論

本文針對燃料電池車用大功率DC/DC變換器存在的升壓效率低、輸入電流紋波大等問題，設計了三相交錯式Boost型DC/DC拓撲結構，對變換器的工作在模式進行分析，提出了DC/DC系統(tǒng)輸入輸出雙重控制策略及多相交替驅動控制方法，最后，搭建DC/DC變換器的實驗樣機，利用實驗平臺驗證了DC/DC變換器的性能。實驗結果表明，DC/DC變換器滿足燃料電池汽車的驅動需要，不僅具有提升電壓的功能，還能優(yōu)化輸出電壓紋波，改善燃料電池工作環(huán)境；多相交替控制技術可以有效提高DC/DC系統(tǒng)的轉換效率，改善燃料電池整車經濟性，這對燃料電池動力系統(tǒng)具有重要意義。

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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，大連理工大學汽車工程學院博士生導師，教授，研究方向：新能源汽車電子控制；

通訊作者：連靜（1980-），女，大連理工大學汽車工程學院博士生導師，副教授，研究方向：新能源車輛動力總成控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.001