0 前言

為了實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，本田汽車公司力求通過將機動車輛動力系統(tǒng)更換為電力驅(qū)動來減少CO2，并通過H2和其他替代燃料促進能源的多樣化。H2可以使用可再生能源生產(chǎn)，使用時不會排放CO2，可以以高能量密度的形式進行儲存和運輸。為了普及燃料電池車(FCV)，需要使其具有與常規(guī)內(nèi)燃機動力汽車相同的尺寸和實用性。為了實現(xiàn)這一目的，通過在增加驅(qū)動電機功率的同時又減少了燃料電池組的電池數(shù)量，來解決包括實現(xiàn)對燃料電池組在內(nèi)的電力傳動系統(tǒng)小型化所涉及的問題。這需要將燃料電池組提供給驅(qū)動電機的電壓升高。因此，開發(fā)了一種將燃料電池組電壓升高的高功率燃料電池電壓控制單元(FCVCU)。介紹了為實現(xiàn)緊湊性和輕量化所采用的升壓轉(zhuǎn)換器的電路技術(shù)和結(jié)構(gòu)。

1 電力系統(tǒng)配置

2009年型FCV[1]的布局方案是在中心通道中布置燃料電池組，能夠滿足低地板、低重心和總體高度低的轎車需求，而且該車型還提供了可以容納4名乘客的乘座空間(圖1)。

圖1 動力總成布置圖

在新型FCV中，燃料電池組和外圍設(shè)備系統(tǒng)更為緊湊，與電動動力總成一起被布置在前艙罩下。這種集中布置實現(xiàn)了可容納五名成年人的寬敞客艙(圖2)。FCVCU提供大功率，并實現(xiàn)了輕量化和緊湊型的設(shè)計。2009年型FCV前艙只有變頻器和電機(圖3)，而新型FCV的布置增加了動力控制單元并安裝在前艙罩下，如圖4所示。

圖2 新型燃料電池車車廂

通常，配置動力控制單元是為了通過FCVCU來提高燃料電池組的輸出電壓并將其提供給電機逆變器。采用FCVCU可以選擇高輸出功率和高效性能的電機。使電機功率輸出升高，燃料電池數(shù)量減少，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕的整車系統(tǒng)。

圖3 原燃料電池車型布置情況(2009年型FCV)

圖4 新型燃料電池車布置情況

為了實現(xiàn)世界上首款5座FCV轎車，新型FCV車型前艙罩下安裝了緊湊燃料電池組動力系統(tǒng)。安裝在這個緊湊的燃料電池組動力系統(tǒng)中的電機向前傾斜90°，PCU放置在旁邊。與原機型相比，高度減少了34%(圖5)。本文介紹的緊湊型燃料電池組和FCVCU都放置在動力系統(tǒng)的頂部。 FCVCU設(shè)計薄而緊湊，高度最低，其內(nèi)部組件布置在平面上，以便在安裝在有限的空間里。這使得在前艙罩下安裝燃料電池組動力系統(tǒng)的方案能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖5 動力總成體積

在2009年FCV車型中，燃料電池組輸出單元直接耦合到驅(qū)動電機逆變器上。新型FCV車型相對于2009年原車型，燃料電池組單元的數(shù)量減少了約30%，導(dǎo)致燃料電池組輸出電壓較低。但電壓通過FCVCU得到提升，因此逆變器驅(qū)動電壓最大達到500 V。因此，實現(xiàn)了更高的電機輸出，從最大100 kW升至130 kW(表1)。

表1 兩款車型主要參數(shù)對比

2 FCVCU電路布置

圖6顯示了FCVCU電路圖。其主要組件是由智能電源模塊(IPM)、電感器和平滑電容器組成。它與并聯(lián)的4個單相斬波電路形成四相交錯電路[2]。采用全SiC IPM，由碳化硅肖特基二極管(SiC SBD)和碳化硅場效應(yīng)晶體管(SiC FET)組成。通過使被動元件實現(xiàn)緊湊化，使其減少損耗，并相應(yīng)提高了電壓控制單元(VCU)的效率。同時，采用由單芯上的兩相電感器組成的兩相耦合電感器[3]，以實現(xiàn)更高的緊湊性?？紤]到發(fā)熱問題，對于次級側(cè)的平滑電容器選擇了間接水冷結(jié)構(gòu)(表2)。

圖6 FCVCU電路示意圖

項目參數(shù)最大輸出功率/kW100最大升壓電壓/V500流量/L15.8電路系統(tǒng)4相交錯電源模塊SiC電感器2相磁耦合電容器間接水冷控制器初級側(cè)電流控制

3 磁耦合和交錯操作

兩相耦合電感器中，相1和相2配對，相3與相4配對。這兩個相對組成四相配置。對于每個相位，都采用2個線圈纏繞在單個磁芯上，電流通過它們在磁芯中產(chǎn)生的磁通量是反向的，從而減小直流磁通(圖6)。此外，用于切換彼此耦合相位的定時偏移180°，使得交流分量也減小了。前者的作用是使電感更緊湊，后者的作用是使相4電感器中的紋波電流消除相互輸出，使平滑電容器更加緊湊。圖7示出了四相交錯電路的各相開關(guān)波形和相電流波形。相位按照相1、相3、相2和相4的順序偏移90°，使得每相中產(chǎn)生的紋波電流相互抵消。這樣可以減少四相中復(fù)合電流的紋波。

圖7 交換波形示意圖

4 控制方法

為了利用多相轉(zhuǎn)換器進行高效率的電壓轉(zhuǎn)換，需要根據(jù)操作條件切換運作相數(shù)。設(shè)置切換操作次數(shù)的點包括FCVCU輸入電壓、輸出電壓和輸入電流。根據(jù)計算結(jié)果，在FCVCU中預(yù)先設(shè)定上述3個參數(shù)下的適當(dāng)?shù)倪\轉(zhuǎn)階段。 基于輸入電流值實現(xiàn)運行中的相數(shù)的切換控制。以這種方式設(shè)置切換點，使得電流是唯一需要監(jiān)控的參數(shù)，同時也能夠進行有效的控制。

然而，這種控制并沒有實現(xiàn)三相操作。 由于電感器采用兩相耦合電感，因此耦合的兩相需要具有均勻的電流。 舉例來說，當(dāng)相位切換控制導(dǎo)致相1到相3進行三相運行時，在與相3耦合的相4中沒有電流，因此丟失了磁耦合的影響，使得相3的終了紋波電流比相1和相2更高。這意味著三相持續(xù)運行會導(dǎo)致相3的發(fā)熱增加。為了避免這種情況，驅(qū)動相切換控制不能實現(xiàn)三相運行，而是選擇一相、兩相和四相運行(圖8)。

圖9顯示了驅(qū)動相切換控制的影響。在駕駛US06車型時，F(xiàn)CVCU的功耗損失減少約30%。

圖9 驅(qū)動相位控制的影響

5 緊湊性和高效率的影響

圖10顯示了FCVCU的尺寸縮小效果。通過采用全SiC IPM、耦合電感和冷卻平滑電容器，F(xiàn)CVCU比原機型緊湊了約40%。圖11顯示了FCVCU具有更高效率的優(yōu)勢。在相同的輸出功率下，2013款的混合動力汽車(HEV)[4]中的功率損耗相對于傳統(tǒng)的VCU降低了約70%，實現(xiàn)了更高緊湊性和更高效率之間的平衡。

圖10 FCVCU小型化效果

圖11 與原VCU相比的功率損耗

6 靜音運行

通常驅(qū)動電動汽車逆變器和轉(zhuǎn)換器的噪聲在可聽范圍內(nèi)(20～20 000 Hz)，電感器、電容器等發(fā)出的高頻聲音需要采取相應(yīng)措施來實現(xiàn)靜音運行[5]。通過采用SiC IPM，F(xiàn)CVCU運行的頻率比以前更高，達到了超20 kHz的頻率，這也大大降低汽車運行時的噪聲。

7 FCVCU結(jié)構(gòu)

在燃料電池組之上放置FCVCU可以產(chǎn)生與燃料電池組大小相同的面積。然而在高度方面，需要將FCVCU放置在與前罩之間的間隙的位置上，以保證發(fā)生碰撞時可以保護行人安全。組件必須位于該高度以下，因此采用了超薄設(shè)計。圖12示出了FCVCU的橫截面，圖13示出了FCVCU組件的展開圖。為了降低FCVCU的高度，四相電感器的超薄設(shè)計選擇并聯(lián)磁耦合兩相電感，并將四相SiC IPM模塊放置在旁邊。然后將次級側(cè)平滑電容器定位在相鄰處。這些步驟產(chǎn)生了內(nèi)部部件布置在VCU外殼內(nèi)相同平面上的結(jié)構(gòu)，從而降低了FCVCU的高度。

圖12 FCVCU的橫截面圖

ECU的尺寸和位置也被調(diào)整，使其可以放置在與前罩輪廓相對應(yīng)的目標(biāo)線的下方。

圖13 FCVCU的組件

8 電感器

電感器的外部視圖如圖14所示，電路如圖15所示。新的電感器使用2相耦合，四相排列的單個盒子中有2組兩相耦合的電感器。對于芯材選擇了在高頻范圍內(nèi)具有較低損耗的材料。磁耦合可使得磁芯中的直流磁通量相互抵消，從而產(chǎn)生磁通量。使磁通量保持在較低水平，解決了低損耗材料發(fā)生的飽和磁通密度降低的問題。使用磁耦合也能夠?qū)崿F(xiàn)無間隙，在芯子中沒有蓄意的間隙，而通過保持先前的芯線圈和線圈形狀(圖16)來維持制造生產(chǎn)率。使用耦合電感器的DC/DC轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)更高功率密度[6]。

圖14 與常規(guī)電感器的比較

圖15 電路示意圖

圖16 電感器的橫截面

圖17示出了電感器中的紋波電流(此時次級側(cè)的電壓是固定的，初級側(cè)的電壓發(fā)生變化)。在這些條件下，先前的電感器的紋波電流的升壓電壓比在2 h后達到峰值，但耦合電感器在升壓電壓比2 h后產(chǎn)生了低壓槽。

圖17 電感器紋波電流

由于這些影響，電感器的每單位功率的體積大約是2013款HEV中VCU電感器的30%(圖18)。除了四相交錯、高頻切換等的影響之外，磁耦合的尺寸縮小了16%。

圖18 電感器的小型化

9 電容器

圖19 發(fā)熱的頻率特性

如圖19所示，膜元件溫度隨紋波電流頻率增加而上升。紋波電流的幅度通過四相交錯電路減小，但是當(dāng)紋波電流上升到高于各相紋波電流4倍的頻率時，溫度的上升幅度趨于變大(圖7)。電容器的設(shè)計使得紋波頻率低于溫升突然變化的點，但電容元件的耐熱性低于IPM或電感器的耐熱性。此外，由于電容器的位置靠近IPM，因此電容器通常與母線固定在一起。當(dāng)直流電流流過母線時，也會導(dǎo)致電容器溫度升高。為了限制由高頻電流發(fā)熱和母線發(fā)熱引起的溫度升高，電容器采用主動冷卻結(jié)構(gòu)。

電容器被設(shè)計在靠近IPM的位置是為了實現(xiàn)低電感結(jié)構(gòu)。然而，固定在IPM上的直流母線有大電流通過，因此由于母線發(fā)熱，電容器元件的溫度趨于上升。因此，對于處理大電流和高頻電流的FCVCU，采用降低電容器溫度的結(jié)構(gòu)。電容器冷卻結(jié)構(gòu)如圖20所示，內(nèi)置在電容器中的母線端子塊使用散熱片進行絕緣，且其結(jié)構(gòu)將熱量散發(fā)到殼體中。IPM水套靠近電容器，外殼溫度可以保持接近水溫。這為母線提供間接的水冷卻。為了降低高頻電流發(fā)熱對電容器元件的影響，電容器的底面也具有用于冷卻的散熱片。采用散熱片冷卻母線和元件，電容器溫度降低了約17 ℃。

圖20 電容器冷卻結(jié)構(gòu)

10 結(jié)論

在為新型燃料電池車開發(fā)新型FCVCU時，通過以下方法實現(xiàn)了緊湊性和更高的效率：

(1)SiC IPM和四相交錯電路系統(tǒng)，適用于電容器和電感器的緊湊性；

(2)驅(qū)動相切換控制，提高效率；

(3)兩相耦合，使電感器更緊湊。

FCVCU緊湊性提高了40%，可以將FCVCU安裝在汽車前排罩下的燃料電池組的頂部，并達到100 kW的輸出功率和15.8 L的元件體積。最終，在FCVCU中實現(xiàn)高功率輸出、緊湊性和輕量化的技術(shù)對新型燃料電池車的動態(tài)性能、燃油經(jīng)濟性和產(chǎn)品吸引力的提高作出了貢獻[5]。