双向DC-DC变换器技术的燃料电池汽车辅助动力系统

李晨

（中通客车股份有限公司 山东省聊城市 252000）

燃料电池汽车的发展源于能源短缺问题，依托燃料电池技术的优势，可以转变对传统能源的需求，进一步拓展燃料电池的应用范围，因此该领域也受到社会的广泛关注。我国早在“十五”期间便开始致力于推动燃料电池汽车的研发，并将其作为改善环境污染危机和能源危机的首要任务。目前，从燃料电池汽车技术来看，燃料电池汽车仍处于突破阶段，在技术上由于在汽车启动及加速瞬间，会导致电压的急剧下降，严重降低了燃料电池汽车的使用性能，加之燃料电池汽车工况复杂，能量转换成为技术跃升的重要环节，而大功率双向变换技术的应用，可实现燃料电池汽车动力系统效率最大化，帮助实现行驶过程中的能量回收，因此加强DC-DC变换器技术的研究与应用，成为当前燃料电池汽车的关键领域。

1 双向DC-DC变换器技术概述及发展现状

在新能源应用领域，燃料电池汽车属于重要的构成部分，具备了诸多的应用优势和特点，包括排放低、效率高、能源可再生等，在新能源汽车领域倍受关注和青睐。但在实际的研究及应用过程中，仍然表现出显著的缺点，即输出疲软、功率波动大等，导致燃料电池汽车的发展受限。随着全新的变换器在该领域中的应用，能够显著改善输出特性不足的缺陷，具体来说包括三个方面的作用。首先，有助于灵活调节燃料电池输出电压；其次，实现燃料电池汽车的能量分配调节；最后，稳定整车的直流总线电压。此外，基于双向DC-DC变换器技术的研究，还需要从储能方式、拓扑结构及控制方法上进行认识。

1.1 储能方式

现阶段，超级电容、铅酸电池及普通电容等，属于燃料电池汽车中较为广泛的储能元件，利用对三种元件性能的横向比较（如表1），可以直观的了解不同元件的性能差异，其中超级电容的表现较为突出。事实上，关于超级电容的相关研究，早在上世纪七十年代便开始出现，也属于当时的一种新型的储能元件，其优势在于能够摆脱传统电容设计的局限，使电容量由微法拉级提升至法拉级，大幅提升了电容量性能，通过后续的持续深入研究，已经可以实现万法拉级乃至十万法拉级的超级电容，极大丰富了在燃料电池汽车平台中的应用场景。

表1：不同储能元件性能比较

根据各类参数的比较可知，超级电容展现出极大的优势，具体可以归纳为如下内容：

（1）极高的功率密度，能够适应大电流应用需求；

（2）保持较短的充电时间，在燃料汽车的应用中，可以满足汽车启动、减速等能量释放及回收需求；

（3）较长的循环使用寿命，以及高达100000次以上的循环次数，大幅降低了后续使用成本；

（4）所需要的制作材料环保，可以避免对环境的污染，具备可回收的优点。

在燃料电池汽车的设计和应用中，储能元件及能量转换方式的科学搭配，将是构成稳定动力系统的关键所在。现阶段，燃料电池汽车以燃料电池作为主要储能方式，能量存储模块以超级电容为核心，并与变换器及直流母线完成连接，最终实现燃料电池汽车辅助动力系统的并联，当汽车在加速、刹车等操作中，实现功率的变换和能量的回流，在该辅助动力系统的应用中，能够有效缩减系统尺寸，并发挥出最佳的操作性能。

1.2 拓扑结构

燃料电池汽车辅助动力系统，旨在能够帮助实现汽车性能的分配及能源的节约，因此变换器在燃料电池汽车领域中的应用，可以大幅提升电池能量的利用率，在目前的拓扑结构应用中一般包括非隔离和隔离型两类，其主要的区别在于隔离型引入高频变压器，该结构的构成通常是全桥、半桥、推挽等电路拓扑构成。同时，在相应的设计环节应当尽量避免过度复杂的结构，以此来提升其实践中的可靠性、效率性及响应性，并且要满足成本低、体积小、质量轻、寿命长等特点。

比如，法国Belfort电力电子实验中心针对于超级电容的研究，依托仿真实验对双向半桥式拓扑和全桥拓扑实施分析比较，全桥拓扑结构能够适应较大的电压变化，且与母线电压变化范围保持一致，然而其缺点在于功率器件较多，与非隔离双向变换器相比，在效率方面存在不足。从当前的大量研究及实践看，双向半桥式拓扑结构具备显著优势，即能够实现更加便捷的结构及控制，依托这些优势逐步获得了燃料电动汽车领域的广泛青睐，具有更大的研究空间及应用前景。

1.3 控制方法

随着城市的快速发展和变化，城市道路路况日益复杂，燃料电池汽车需要应对的情境更加多元，需要具备更优异的启动、停止及加速性能。为了给予燃料电池汽车用户更好的体验，在变换器的设计思路上必须要突出对性能的要求，即要为燃料电池汽车动力控制系统，提供更加快速的稳定输出及动态响应。从目前而言，单向DC-DC变换器仍然占据着市场主流，主要在于其技术更加成熟，因此即便双向DC-DC变换器技术出现，也需要获得市场的认可及检验。另外，双向DC-DC变换器所具备的优势也不可替代，即可以提供正向或者反向工作模式，构建了燃料电动汽车辅助动力的输入多输出系统，能够有效地应对不同的控制模式。

2 双向DC-DC变换器拓扑结构分析

2.1 双向DC-DC变换器的设计

在于科学地设计双向DC-DC变换器拓扑结构，用以适应不同场景下的应用需求。具体而言，可以从如下方面进行思考：

（1）受制于道路空间及行驶路况，燃料电池汽车的结构不能过大，必须掌握好相关器件的体积比例，使双向DC-DC变换器及超级电容体积更加科学，并且还能够发挥着燃料电池汽车足够的功率输出。

（2）由于超级电容是燃料电池汽车的主要辅助模块，作用在于适应汽车在不同工况下的启动、加速及减速等操作，必须要避免在应用过程中，出现超级电容电压的大幅波动，因此需要合理控制双向DC-DC变换器电压的稳定输出，在此过程中完成对汽车动能的回流及储存，以提升燃料电动汽车的能源利用率。由此可见，双向DC-DC变换器还要适应高压大功率或者低压大电流的需求，保持较大范围的输入输出承受能力，使电压、电流得到科学的控制。

（3）保持双向DC-DC变换器较高的工作效率，最大程度提升燃料电池汽车的续航能力。

结合上述燃料电池汽车的要求，在变换器的设计上需要满足实用性、便捷性及成本性等条件，这些均应成为设计时考虑的重点内容，以此来保证最佳的设计方案。由于受超级电容模块及电机逆变器母线中，其电压极性不可改变的特点影响，应在实施设计时考虑直流电压极性等因素，确保在需要时能够自动对能量方向进行切换。

2.2 双向DC-DC变换器拓扑结构选择

隔离型及非隔离型拓扑结构，通常属于双向DC-DC变换器的主要选择形式，两者最大差异在于隔离直流变换器输入输出端具有电气隔离，而非隔离直流变换器则未设置。在燃料电池汽车双向DC-DC变换器的拓扑结构选择上，应当依据其自身特点合理选择和设计，尤其需要掌握其差异性（如表2、表3）。

表2：非隔离电源结构优缺点

表3：隔离电源结构优缺点

通过对双向DC-DC变换器不同拓扑结构优缺点比较，可以明确显示出隔离拓扑结构不符合设计要求，主要是其结构相对较为复杂，且需要应用大量的元器件及磁性元器件，体积上无法满足实际应用需求。由于现阶段燃料电池汽车的续航能力，属于该领域关注的焦点问题，这也要求双向DC-DC变换器具备更高的工作效率，而通过两种拓扑结构的表现来看，隔离型拓扑结构转换效率较低，无法满足具体的需求。从经济成本的角度来看，隔离型拓扑结构具有成本高、体积大、设计复杂等缺陷，加之其通用性无法与非隔离型拓扑结构相比，其在大范围的使用上呈现劣势，因此非隔离型拓扑结构更适用于未来的燃料电池汽车发展。

2.3 双向DC-DC变换器工作原理

基于双向变换器设计特点，其电路拓扑结构的选择上，主要由升压Boost电路和降压Buck电路反并联而成。在整体的电路设计上，其主要对两个功率开关实施控制，旨在对不同工作模式进行管理和切换，如处于Boost模式时，开关动作的完成需要由管V完成，管V开关处于封锁状态；当在Buck模式时，开关动作的完成需要由管V完成，管V开关则处于封锁状态。

当在Boost模式工作时，管V开关截止，并控制管V开关的导通时间，用以完成对输出端电压流量控制，在V处于导通状态下时，电感L两端将由电压U进行加载，线圈中有电感电流流过，未处于饱和状态下的电感线圈，电感电流会以线性的方式逐步增加，以完成对电感的充电，负载放电由电容C同步进行。当管V开关断开时，电感电流现由输出测流出，此时的负载供电主要由输入电压与电压电压串联共同实现，并且同步完成对C的充电，电感电流也呈现出线性减小状态。

当双向DC-DC变换器处于Buck模式时，管V开关将发挥主导调节作用，主要对输出电压实施控制和调节，而V则处于截止状态，待管V处于导通状态下，电感L两端将由电压U进行加载，线圈中有电感电流流过，并呈现出线性增加的状态，并且由电动机制动时所产生的机构能，逐步通过向电能的转换并储存于电感之中，实现对超级电容的充电。当管V开关断开时，电感电流再向超级电容测流动，并呈现出线性减小状态。

3 双向DC-DC变换器参数设计研究

3.1 开关频率

根据燃料电池汽车的发展趋势，在双向DC-DC变换器的主电路拓扑结构选择上，主要选取双向半桥Buck-Boost结构，选择IGBT作为电路开关器件，其频率取20KHz，此类元件的优势在于开关损耗小、速度快，有助于变换器性能的充分发挥。通常在特定的范畴下，开关频率与其体积和重量成反比，即频率越高则体积重量越小，可以为变换器的小型化提供支持。一般而言，双向DC-DC变换器处于稳定运行状态时，其开关的每次动作均会产生相应的损耗，因此其开关频率越高，所产生的相对损耗也就越大，并且通常以热能的形式释放，从而导致元件及主体温度的上升，最终会影响变换器整体性能的发挥，可见对开关频率的控制属于关键内容。另外，变换器的工作噪声往往也来源于开关频率，这也需要合理设置开关的频率，以保证变换器的整体性能。

3.2 电感参数计算

电感能量转换过程属于双向DC-DC变换器的关键，在燃料电池汽车的应用中，属于极为重要的元件之一。它的特点在于可以在断续状态下工作，也可以在连续状态下工作，若在断续状态则电感将呈现不完全供电模式，而在连续状态下时，电感则可以灵活切换于完全供电和不完全供电两种模式之间，同时断续工作状态时，电感体积、功率损耗及峰值等，均容易受到显著的影响。因此，针对于双向变换器的设计而言，电感参数的计算必须要以保重其在正反两个方向，均可以实现连续状态下的工作，其临界值计算公式如下：

3.3 电容参数计算

通过设计数据在公式中的代入，得到电容计算结果为2×10F，同时考虑在实际应用中的负载变化问题，最终将滤波电容设计值确定为1000uF/450V。

3.4 IGBT参数计算

根据双向半桥式BuckBoost拓扑结构要求，其在燃料电池汽车中的应用时，驱动电机的额定功率为3kw，因此变换器的峰值功率可达2P=6kw，逆变器的母线电压U=300V，流过IGBT的峰值电流能够达到Ppeak/V=20A。利用变换器的设计要求可知，当变换器开关导通或判断状态下，其电流往往会达到最大值，因而为实现各元件能够处于安全的工作状态，需要对各开关元件电流值预留一定的裕度，可以选择50A电流额定值。反向并联的二级管，为实现不同模式下各方向的功率开关需求，可以选择与开关管功率相同的范围。

4 双向DC-DC变换器控制系统设计策略

4.1 控制系统硬件电路设计

为满足燃料电池汽车的研发需求，双向DC-DC变换器在设计中，需要明确硬件电路的设计思路，其拓扑结构中包含主拓扑结构电路、控制电路、采样电路及驱动电路等。在控制电路的设计机制中，主要以DSP芯片为主导，结合电压及电流的采样电路构成，以便对电压及电流信号分别采样，再经由AD转换后传输至DSP。另外，DSP在获取相关的信号后，会将该信号进行数字运算及滤波，利用相应的控制系统及算法进行决断，由PWM控制波形予以呈现。另外，电动电路的功能在于对控制信号进行放大，由IGBI实施传输和控制，以对开通和断开实施调节，最终目标是实现变换器能量流动的调节，其整体结构如图1所示。

图1：控制系统硬件结构设计

4.2 控制系统软件设计

系统软件是实现控制的核心，双向DC-DC变换器的应用下，设计主要以固定频率作为基础，利用对双闭环控制及复合控制结构，对双向DC-DC变换器实施不同模式的调节，以保证能量流动的有效性，确保输出端电流及电压稳定，特别是基于DSP系统的PWM控制波形，更应逐步强调对DPS程序模块设计，将主程序模式及中断程序模块合理设置。

在主程序模块中，通常由硬件系统、外围设备及特殊变量等构成，依托主程序的运行流程设计（如图2），当DPS芯片初始化完成，程序便进入了循环阶段，在循环的过程中会持续调动子程序，从而在必要场景下触发中断子程序，在完成中断后再等待下次触发机制。

图2：主程序流程

5 结语

综上所述，随着社会环境保护意识的增强，以及能源危机的不断提升，燃料电池汽车作为新能源领域的重要内容，越来越符合社会发展的需求。为了更好地提升燃料电池汽车的水平，加强对辅助动力系统双向DC-DC变换器的研究与应用，将能够大幅提升燃料电池汽车的实用性，满足不同场景下的驾驶需求，利用能量的双向流动和控制，持续发挥出节能环保的作用，并且解决能量过度流失的问题。据此，本文通过对双向DC-DC变换器的分析与设计，可以为该领域提供积极的参考，从而实现燃料电池汽车控制系统的优化。