基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC电源设计

韩冬林，闫 婧，冯红岩，翟晓晗

(天津中德应用技术大学，天津 300350)

基于超级电容储能的双向DC-DC 转换器电源能够快速充放电，且充放电循环寿命可达百万次，因此在不间断电源系统、电动汽车系统、太阳能及风能发电系统都有其适用场合[1-2]。经过近十年的持续研发，车用燃料电池在能量效率、功率密度、低温启动等方面已经取得了突破性进展，新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近[3]。车用燃料电池在加载的初始阶段，其输出电压下降较快，随着负载电流的继续增加，输出电压的下降斜率也比普通蓄电池大得多[4]，考虑到燃料电池输出特性较软这一问题，利用超级电容快速充放电特性，设计一款应用于燃料电池汽车的基于超级电容的双向DC-DC 转换器不仅可以优化燃料电池特性，还可以延长其使用寿命[5]。LM5170-Q1是TI公司生产的一款新型的多相双向电流控制器芯片，内部集成了电流检测放大器、高电流栅极驱动器和系统保护功能模块，为汽车48 和12 V 双电池系统提供多相双向电流转换应用设计，在高压和低压端口之间调整平均电流流动，电流调整精度可达1%，满足汽车AEC-Q100规范，主要用于汽车双电池系统、超级电容或电池备份电源转换器[6]。采用LM5170-Q1 多相双向电流控制器，本文设计了一种基于超级电容与燃料电池的车用双向DC-DC 电源，将燃料电池作为高压端口，将超级电容作为低压端口，通过优化燃料电池混合动力汽车电控系统软硬件设计，能够实现实时精确控制超级电容与燃料电池之间双向电流分配的功能。

1 燃料电池混合动力汽车电控系统构成

由燃料电池与锂离子动力电池组构成的混合动力汽车电控系统如图1 所示，主要由燃料电池堆、单膜电压检测单元、燃料电池堆主控单元、升压式DC-DC 转换器、锂离子动力电池组、锂电池管理系统、整车电控单元ECU、牵引电动机及其驱动单元组成。

图1 燃料电池混合动力汽车电控系统框图

燃料电池发电原理与原电池类似，但与原电池和二次电池比较，需要具备一套相对复杂的管理系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控单元等子系统[7]。图1 中的燃料电池堆主控单元通过A/D 转换口采集燃料电池堆的传感器信号，同时还通过数字I/O 口输出控制信号，驱动燃料电池堆的执行器工作。燃料电池堆的传感器信号主要包括氢气瓶压力、氢气进出堆压力、氢气进出堆温度、空气进堆压力、空气进堆温度、空气进堆流量、冷却液进堆压力、冷却液进出堆温度、氢气泄漏量PPM 值检测，燃料电池堆的执行器信号主要包括氢气瓶供气电磁阀、氢气进排气电磁阀、空气泵转速控制器、冷却液循环泵、内外循环散热风扇等。图1 中的单膜电压检测单元可以实时采集61 片膜电极单体的电压信号C00～C61，燃料电池堆主控单元通过CAN1 通讯口完成与单膜电压检测单元的数据通讯，通过CAN2 通讯口完成与锂电池管理系统和升压式DC-DC 转换器的数据通讯，通过CAN3 通讯口完成与整车电控单元ECU 和双向DC-DC 电源的数据通讯。

本文设计的基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC 电源控制电路位于燃料电池堆电压输出端与升压式DC-DC 转换器输入端之间，其功能是利用超级电容快速充放电特性，当车辆的牵引电机处于低功率输出时，将燃料电池输出的部分电能快速充电并储存于超级电容模组中；当车辆的牵引电机处于高功率输出时，将储存于超级电容模组中的电能快速放电至升压式DC-DC 转换器输入端，从而解决实际车用工况中因反复加减速引起的燃料电池膜电极电位循环及耐久性衰减的难题[8]，从而达到实时优化补偿燃料电池输出特性并延长其使用寿命的设计目的。

2 双向DC-DC 电源控制电路硬件设计

采用LM5170-Q1 多相双向电流控制器芯片的双向DCDC 转换器电路拓扑如图2 所示。

图2 LM5170-Q1双向DC-DC转换器电路拓扑

LM5170-Q1 的使能控制EN 信号、电流方向控制DIR 信号、电流设定值ISETD 信号均由MCU 芯片管脚输出，LM5170-Q1 的电流检测IMON 信号反馈给MCU 芯片的ADC转换口，用来监测DC-DC 转换器的实际电流值。当需要电流由高压HV 侧向低压LV 侧流动时，LM5170-Q1 工作在Buck模式，反之则工作在Boost 模式[6]。

本文设计的采用LM5170-Q1 多相双向电流控制器芯片的双向DC-DC 电源控制电路如图3 所示。

图3 LM5170-Q1双向DC-DC 转换器电路原理图

LM5170-Q1 芯片内部集成了采用180 度交错运行方式的2 相Buck-Boost 转换器，单个芯片可以实现高达60 A 的双向电流控制功能[6]，所以非常适用于燃料电池与超级电容组成的双向DC-DC 电源系统。本设计采用Microchip 公司的高性能数字信号控制器PIC30F4011 芯片作为MCU，PIC30F4011的RB0、RB1、RB2、RB3 管脚作为模拟量转换口,其中ADC1、ADC2 分别采样LM5170-Q1 的2 相 电流检测IOUT1、IOUT2信号，ADC3、ADC4 分别采样高压侧HV 和低压侧LV 的2 路电压值，PIC30F4011 的RB4、RB5、RB6、RB7 管脚作为数字输出口，分别控制LM5170-Q1 的UVLO、EN1、EN2、DIR，PIC30F4011 的RE8 管脚作为中断输入口，监测LM5170-Q1 的故障报警FAULT 信号的电平变化，PIC30F4011 的RE0 管脚作为PWM 输出口，通过改变PWM 的占空比来调整LM5170-Q1的电流设定值ISETD。LM5170-Q1 的电流设定值ISETD 信号PWM 最大占空比由公式(1)确定：

式中：IMAX为LM5170-Q1 的每相电流最大值；RS为每相电流采样电阻值。本设计中IMAX为30 A，RS为1 mΩ，DUTYPWM最大值为52.8%。

3 双向DC-DC 电源控制电路软件设计

因为实际的车辆在不同工况下运行，负载变化频繁，而燃料电池动态响应速度较慢，需要辅助动力源提供能量，抑制能量波动，才能使整车保持良好的动态性能[4]，所以在双向DC-DC 电源控制程序设计中必须综合考虑车辆牵引电机的功率需求与燃料电池堆允许输出功率之间的动态平衡关系，争取让燃料电池膜电极单体电压能够运行在0.6～0.9 V 的最佳工作区之内，同时又能最大限度地保证车辆的动态性能。本文设计的双向DC-DC 电源控制电路软件流程如图4 所示。

图4 双向DC-DC转换器软件流程

图4 中：UHV、ULV分别为高压端口燃料电池及低压端口超级电容模组的实时电压值；IH、IL分别为燃料电池堆当前允许输出电流的上限值及下限值，燃料电池堆主控单元根据氢气进出堆压力、空气进堆压力、空气进堆流量、冷却液进出堆温度等传感器的数据实时计算燃料电池堆允许输出电流的上限值及下限值；IT为升压式DC-DC 的当前输出电流值；ULV_MIN、ULV_MAX分别为超级电容模组的最小放电电压值及最大充电电压值。

4 结论

本文设计了基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC 电源，其控制电路采用新型的多相双向电流控制器LM5170-Q1，充分利用了该芯片内部集成的电流检测放大器、高电流栅极驱动器等功能模块，通过优化控制电路的软硬件设计，实现了根据车辆牵引电机的功率需求实时计算并控制燃料电池功率输出与超级电容模组充放电之间动态平衡的设计目标。