周雅夫，邵芳雪，黃立建，連靜*

?

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(xué)，遼寧 大連 116024；2.遼寧省節(jié)能與新能源汽車動(dòng)力控制與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cuò)式Boost型DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)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(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了DC/DC在各個(gè)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率最大化。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該DC/DC在全部輸出功率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率大于93%的高效工作區(qū)域可達(dá)近100%，且最高效率可達(dá)98%，這對(duì)于燃料電池汽車動(dòng)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(guān)注，燃料電池汽車作為新能源汽車的重點(diǎn)研究方向，具有零排放、燃料多樣化、續(xù)駛里程長以及補(bǔ)充燃料時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，盡管如此，但由于燃料電池輸出電壓低、特性偏軟[1]，且響應(yīng)速度慢，導(dǎo)致其無法在車上獨(dú)立應(yīng)用；另外，車輛運(yùn)行工況會(huì)使燃料電池始終工作在動(dòng)態(tài)工況[2]，這會(huì)導(dǎo)致質(zhì)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(dòng)，這些波動(dòng)則會(huì)引起燃料電池內(nèi)部水管理難度增加和反應(yīng)氣體供應(yīng)不足，從而使燃料電池內(nèi)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(jīng)濟(jì)性，燃料電池會(huì)外接其它儲(chǔ)能元件作為輔助動(dòng)力源，如動(dòng)力電池組或者超級(jí)電容等[5]。為匹配燃料電池與輔助動(dòng)力源間的電壓，同時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[6]。

高效性是燃料電池汽車的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，因而DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率對(duì)整個(gè)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)至關(guān)重要。目前國內(nèi)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(jīng)過DC/DC變換器后，會(huì)有一定的損耗[7]，即當(dāng)燃料電池的效率為45%，DC/DC變換器的效率為94%時(shí)，則總體的效率變?yōu)?2.3%；如果將DC/DC變換器的額定功率點(diǎn)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(gè)百分點(diǎn)，這對(duì)于燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)是相當(dāng)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(dāng)?shù)目刂撇呗砸蕴岣逥C/DC系統(tǒng)性能。目前，國內(nèi)外已有多種燃料電池DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(duì)較大；2016年劉佳等[9]設(shè)計(jì)了推挽型DC/DC變換器，并通過數(shù)字化控制使其具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

本文基于三相交錯(cuò)式Boost型DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出DC/DC系統(tǒng)輸入輸出雙重控制及多相交替驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)DC/DC系統(tǒng)在各個(gè)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率最大化。

1 DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jù)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(duì)其輸出電流比較敏感，故本文采用了非隔離型三相交錯(cuò)式Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)器件，C1為輸入電容，由C5、L4與C6組成π型濾波結(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，但卻會(huì)引發(fā)DC/DC輸入電流產(chǎn)生較大的波動(dòng)，從而造成燃料電池電堆的損傷，針對(duì)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(fù)載變化，其控制流程圖如圖2所示，首先獲取目標(biāo)輸出電壓值、當(dāng)前的實(shí)際輸出電壓值以及當(dāng)前的輸入電流值，根據(jù)實(shí)際輸出電壓與目標(biāo)輸出電壓的偏差來改變當(dāng)前的占空比，而占空比的增減量要受到當(dāng)前狀態(tài)下的輸入電流值得限制，即單次調(diào)整占空比的增加量要保證輸入電流的變化率不超過當(dāng)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(dāng)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(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以增加整個(gè)系統(tǒng)的功率等級(jí)，同時(shí)控制器將總功率平均分配到各相結(jié)構(gòu)中，在降低開關(guān)器件IGBT上的電壓和電流應(yīng)力的同時(shí)可以避免開關(guān)管、二級(jí)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(yīng)的開關(guān)管的功率損耗也會(huì)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(zhuǎn)換效率的仿真結(jié)果，從結(jié)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(gè)百分點(diǎn)。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(zhuǎn)換效率。例如，在低負(fù)載下，單獨(dú)使用一相比兩相驅(qū)動(dòng)更有效，這是因?yàn)?，盡管兩相驅(qū)動(dòng)控制降低了每相的功率負(fù)載，但總損耗增加。

圖3 DC/DC不同工作相數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率

本文提出的多相切換控制技術(shù)，即根據(jù)需求功率確定最佳驅(qū)動(dòng)相數(shù)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器效率最大化，如圖4所示，區(qū)域Ⅰ所對(duì)應(yīng)的小功率范圍選擇單相驅(qū)動(dòng)，而且單相工作時(shí)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(duì)應(yīng)的中等功率范圍則選擇兩相同時(shí)工作；區(qū)域Ⅲ部分的大功率范圍即選擇三相同時(shí)工作，從而保證了DC/DC變換器在全部輸出功率范圍內(nèi)都工作在效率最高點(diǎn)，降低功率損失。

圖4 功率與最佳驅(qū)動(dòng)相數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于所設(shè)計(jì)的DC/DC變換器主回路搭建系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，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(fù)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(hào)，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(diǎn)，使DC/DC控制更加安全穩(wěn)定，DC/DC的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

利用實(shí)驗(yàn)室高性能動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)本文所設(shè)計(jì)的DC/DC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行性能測試，該設(shè)備內(nèi)置完全可編程電池模擬器，可以模擬燃料電池堆的特性，進(jìn)行恒壓、恒流、恒功率等多種模式控制。實(shí)驗(yàn)測試了DC/DC變換器全功率范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)性能，重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)工作點(diǎn)下的輸出電壓紋波以及轉(zhuǎn)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(shí)相應(yīng)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(duì)于DC/DC的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)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(shí)不同輸出電壓和輸出電流對(duì)應(yīng)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率。

圖7 輸入電壓90V時(shí)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(zhuǎn)換效率也會(huì)越高?？傮w看來DC/DC轉(zhuǎn)換器效率大于93%的高效工作區(qū)域近100%，最高效率可達(dá)98%，有效改善了燃料電池整車經(jīng)濟(jì)性。

圖8 輸入電壓130V時(shí)DC/DC效率MAP圖

圖9 輸入電壓160V時(shí)DC/DC效率MAP圖

圖10 輸入電壓200V時(shí)DC/DC效率MAP

4 結(jié)論

本文針對(duì)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(shè)計(jì)了三相交錯(cuò)式Boost型DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)變換器的工作在模式進(jìn)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(qū)動(dòng)控制方法，最后，搭建DC/DC變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了DC/DC變換器的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DC/DC變換器滿足燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)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(shù)可以有效提高DC/DC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，改善燃料電池整車經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)具有重要意義。

[1] HUANGFU Yigeng, SHI Qi, LI Yuren. Modelling and simulation system of proton exchange membrane fuel cell[J]. Journal of North -western Polytechnical University, 2015, 33(4):682-687.

[2] 陳會(huì)翠.影響燃料電池壽命的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[D].北京:清華大學(xué), 2015.

[3] Chen Huicui,Pei Pucheng.Dynamic model of proton exchange mem -brane (PEM) fuel cell during load changes[J]. Journal of Tsinghua University, 2014, 54.

[4] 劉劼勛.燃料電池汽車DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究[D].北京: 清華大學(xué), 2016.

[5] VERSTRAETE D, LEHMKUEHLER K, GONG A, et al. Charac -terisation of a hybrid, fuel-cell-based propulsion system for small unmanned aircraft[J]. Journal of Power Sources, 2014, 250:204-211.

[6] Palma L, Enjeti P N. A modular fuel cell, modular DC–DC converter concept for high performance and enhanced reliability[J].IEEE Tran -sactions on Power Electronics, 2009, 24(6): 1437-1443.

[7] 齊鉑金,汪殿龍.燃料電池客車大功率DC/DC變換器關(guān)鍵問題分析與探討[J].汽車工程, 2007(06): 482-485.

[8] Liang Zhigang, Guo Rong, Wang Gangyao, et al. A new wide input range high efficiency photovoltaic inverter[C]//2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. IEEE, 2010.

[9] 劉佳,李修亮,沈燁燁,等.燃料電池DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與數(shù)字化控制[J].上海:上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016, 50(6): 910-916.

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

U469.7

A

1671-7988(2019)08-03-04

周雅夫（1962-），男，大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院博士生導(dǎo)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(xué)汽車工程學(xué)院博士生導(dǎo)師，副教授，研究方向：新能源車輛動(dòng)力總成控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.001