燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

與傳統(tǒng)汽車一樣，燃料電池汽車也必須具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，以便對不同的路況及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，為滿足機(jī)動(dòng)性的要求，燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)所需功率會(huì)有較大的波動(dòng)，這與燃料電池的輸出特性偏軟是相矛盾的。另一方面，燃料電池的輸出功率若波動(dòng)較大，其效率會(huì)大大下降，反面影響其機(jī)動(dòng)性能。因此，若以燃料電池作為電源直接驅(qū)動(dòng)，一方面輸出特性偏軟，另一方面燃料電池的輸出電壓較低，在燃料電池與汽車驅(qū)動(dòng)之間加入DC/DC變換器，燃料電池和DC/DC變換器共同組成電源對外供電如圖2所示，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定、可控的直流電源。合理的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)對燃料電池車顯的尤為重要。

2,DC/DC基本硬件電路及工作原理

DC/DC變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可以分為沒有電氣隔離和有電器隔離的直流變化器兩類。按工作電路區(qū)分有降壓式（BUCK），升壓式（BOOST），升降壓式（BUCK/BOOST），庫克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六種[1]。設(shè)計(jì)采用沒有隔離的雙向Zeta-Sepic直流變換器電路，工作原理電路圖如圖3所示。

主電路由兩開關(guān)管Q1和Q2，兩二極管D1和D2構(gòu)成。Q1和Q2為PWM工作方式，互補(bǔ)導(dǎo)通，有死區(qū)時(shí)間。變換器輸出與輸入電壓間的關(guān)系為V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy為Q2的占空比。                      

3,DC/DC變換器控制單元和輔助單元電路設(shè)計(jì)

Zeta-Sepic電路是DC/DC變換器的核心組件，車載DC/DC變換器除此外還包括          

控制單元和輔助單元電路，其性能直接影響Zeta-Sepic電路的工作質(zhì)量和整車控制器的準(zhǔn)確運(yùn)行。控制單元與輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構(gòu)成DC/DC變換器的總體硬件電路。

3.1控制單元

控制單元選用單片機(jī)MC9S12D64，它延續(xù)了飛思卡爾半導(dǎo)體在車用微控制器領(lǐng)域的優(yōu)良傳統(tǒng)，是以速度更快的S12內(nèi)核（Star Core）為核心的單片機(jī)MC9S12系列的成員，管腳兼容，存儲(chǔ)器可以得到升級。并且片內(nèi)有多種外圍設(shè)備可供選擇。 MC9S12D64共有8種工作模式，模式的設(shè)定通過復(fù)位期間采集BKGD、MODB、MODA三個(gè)引腳的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)[5]。增強(qiáng)了應(yīng)用的可選擇性。控制單元通過CAN通訊網(wǎng)絡(luò)接受整車控制器的指令，按照協(xié)議翻譯指令對燃料電池電堆提取相應(yīng)的功率，并將通過傳感器檢測到的DC/DC變換器的高低端的電流電壓值按照協(xié)議上傳CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)讀取溫度傳感器的值，根據(jù)要求適時(shí)的啟動(dòng)散熱風(fēng)扇。

3.2CAN通訊硬件接口電路

做為燃料

3.3 DC/DC變換器低端電壓電流測量

對DC/DC變換器的低端電壓電流進(jìn)行采樣，作為控制DC/DC變換器功率的回饋參考數(shù)據(jù)，并上傳CAN網(wǎng)絡(luò)做為整車控制的重要參考數(shù)據(jù)。和低端的電流采樣用傳感器WBV151S07,為電壓隔離傳感器，輸入范圍為0～75mV,輸出為0～5V，供電為±12V。被測母線通過分流，將電流以比例衰減到電流傳感器的輸入范圍內(nèi)，并通過車用微控制器MC9S12D64的AD采樣傳感器的輸出端。

和低端的電壓采樣用傳感器WBV151S01，當(dāng)被測電壓低于500V時(shí)，將電壓傳感器直接掛接到被測母線上，通過控制器AD采樣接口讀取傳感器輸出端的值。

3.4溫度傳感器

車載DC/DC變換器為大功率器件，散熱是重要性能指標(biāo)之一，因此為DC/DC變換器設(shè)置了溫度傳感器，來實(shí)時(shí)檢測溫度，當(dāng)散熱器不能滿足其散熱要求時(shí)，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度量來啟動(dòng)散熱風(fēng)扇，并以溫度為依據(jù)設(shè)定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小。溫度檢測采用的是美DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。它的測量范圍為﹣50℃到﹢125℃，精度可達(dá)0.1℃，不需要A/D轉(zhuǎn)換，直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。DS18B20嚴(yán)格的遵守單線串行通信協(xié)議，每一個(gè)DS18B20在出廠時(shí)都用激光進(jìn)行調(diào)校，并具有的64位序列號(hào)。這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。

工作中控制單元對DS18B20的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳過ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暫存器指令分別為：寫暫存存儲(chǔ)器(4EH)、讀暫存存儲(chǔ)器(BEH)、復(fù)制暫存存儲(chǔ)器(48H)、溫度轉(zhuǎn)換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

4,DC/DC變換器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境為Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。其調(diào)試方式為BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一種系統(tǒng)調(diào)試方式，具備基本的調(diào)試功能，包括資源訪問及運(yùn)行控制，與指令掛牌及斷點(diǎn)邏輯配合就可以實(shí)現(xiàn)很多重要的開發(fā)功能。

4.1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器設(shè)計(jì)三種工作模式，使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC處于未被啟動(dòng)狀況，需要將其引出的兩使能腳短路使其使能成功，使能成功后即進(jìn)入正常工作模式，在正常工作模式下可對DC/DC變換器進(jìn)行提取功率操作。DC/DC的控制單元如果檢測到故障，將使DC/DC變換器進(jìn)入故障模式，此時(shí)整車控制器指令對DC/DC變換器的操作無效。

4.2DC/DC變換器工作協(xié)議

作為燃料電池車的電壓變換器，需要根據(jù)工作方式制定協(xié)議，并規(guī)定每上傳比特位的意義，DC/DC變換器則根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議向整車CAN網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，整車控制器則從CAN網(wǎng)上采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)按協(xié)議翻譯并參與控制策略運(yùn)算。DC/DC變換器的協(xié)議包括上傳數(shù)據(jù)協(xié)議和接受數(shù)據(jù)協(xié)議。