0 引言

　　能源短缺及環境污染的問題成為當今世界迫切需要解決的綜合問題，而傳統的汽車工業便是能源與環境最大殺手之一，發展清潔、高效的汽車新動力能源已成為十分緊迫的任務。燃料電池（Fuel Cel1）就是這樣一種綠色能源技術。為了改善燃料電池較“軟”的輸出特性，通過DC/DC 變換器將燃料電池的電壓變換后給主驅動電機及其控制系統，滿足它們輸入特性的要求，這樣就使得燃料電池輸出特性變“硬”，并且匹配了變換器的輸出阻抗，所以具有良好控制特性，并且實現數字化控制、通訊和保護的可靠穩定的DC/DC 變換器的研制就成為迫切的需求。

　　近年來DSP技術的日臻完善，標志著數字化技術的興起，使得控制領域又面臨著一次重大的技術變革。因此，針對燃料電池客車專用大功率DC/DC變換器數字化技術進行研究，開發出國產的專用數字化大功率DC/DC 變換器，對我國的電動汽車的發展和普及，將具有十分重要的理論意義和工程應用價值[1][2]。

　　1 DC/DC變換器主電路構成

　　變換器主電路是基礎，直接影響到DC/DC 變換器的性能。DC/DC 變換器主電路結構簡單；工作效率高，顯著提高整車的經濟性；且自身工作頻率高，具有高響應速度，易于實現復雜多變的輸入輸出特性，可以滿足不同控制策略的要求。所以，燃料電池客車用功率混合轉換裝置放棄了全橋式逆變的主電路拓撲結構而選用Boost 和Buck型主電路拓撲。

　　DC/DC 變換器按功能可分為：升壓變換器（Boost Converter）、降壓變換器（Buck Converter）和升降壓變換器（Boost-Buck Converter），在燃料電池汽車中主要采用升壓或降壓變換器，其原理圖如圖1 和圖2所示。

　　
                                                   圖1 Buck 電路原理圖                                                     

　　
圖2 Boost電路原理圖

　　以圖2 Boost 變換器為例，簡單分析其工作原理：當開關管S 導通時，電流I in 流過電感L，電流線性增加，電能以磁能形式儲存在電感線圈中。此時，電容C 放電，負載上流過電流Io并在其兩端形成輸出電壓Vo，極性上正下負。因為開關管S 導通，二極管D 陽極接負極，D 承受反壓，所以電容不能通過開關管放電。開關管S 由導通變為截止時，電感L 中的磁場將改變線圈L 兩端的電壓極性，以保持Iin 的不變。這樣磁能轉化成的電壓VL與電源電壓VFC串聯，以高于Vo的電壓向電容C、負載供電。高于Vo 時，電容C 有充電電流；等于Vo時，充電電流為零；當Vo有降低趨勢時，電容向負載放電，維持Vo 不變。由于VL垣VFC向負載供電時，Vo高于VFC，從而有了升壓的結果[3]。

　　2 基于TMS320LF2407A 的控制電路硬件設計

　　采用數字信號處理器作為開關電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的弱點；而且DSP數字處理器具有工作頻率高、指令周期短和改進的總線結構等優點，具有強大的數字處理功能。

　　TMS320LF2407A是德州儀器（TI）公司24X系列DSP 控制器的成員，它在電機的數字化方面已經得到了廣泛的應用，通過編程和外部電路的配合，完全能夠實現燃料電池用大功率DC/DC 變換器的數字化。圖3為控制系統的功能框圖，控制系統以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路來實現系統所需要的各項控制功能：

　?。?）通過濾波電路對傳感器輸入信號進行處理，然后由ADC采樣電路進行數字采樣并送入中央處理器；

　?。?）由TMS320LF2407A 直接生成PWM 控制信號，經過隔離驅動放大后來控制功率開關管的開通與關斷；

　?。?）利用處理器內部的I/O 口來實現一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風扇的開關控制等；

　?。?）通過CAN2.0控制器與整車控制器進行遠程通訊與控制。

　　
圖3 控制系統功能框圖

　　燃料電池客車數據采樣電路的目的是獲取系統的輸出電壓、電流控制反饋信號；功率器件的溫度、電流、電壓保護反饋信號。信號傳輸給控制板通過TMS320LF2407A內部集成的10 位精度的帶內置采樣/保持的模數轉換模塊（ADC）后進行數據運算和邏輯判斷。該10 位ADC 是高速ADC,最小轉換時間可達到500ns，對于20~50kHz 的開關電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了DC/DC變換器的高速響應時間[4]。

　　在DC/DC 運

行過程中，可能會發生一些異常狀態，例如由于器件損壞等原因，造成DC/DC 不工作；電路出現短路；IGBT 和功率二極管過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態，都從硬件電路上給予充分設計并采取相應的保護措施。

　　3 控制系統軟件設計

　　控制系統負責整個變換過程的控制和通訊，實現過程的數字化。燃料電池客車用大功率DC/DC 變換器的控制軟件采用C 語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結構合理簡單，以適應大功率開關電源對控制系統的穩定性和可靠性的要求。

　　3.1 軟件的整體結構

　　控制軟件主要包括以下幾個部分：采樣處理環節；由采樣值來計算輸出脈寬，并根據此值調整輸出的PWM 脈沖寬度；CAN 通訊來接受控制指令并發送輸出的電流、電壓值、溫度、狀態碼等信息；中斷服務程序；故障處理及保護功能程序?？刂葡到y初始化程序和主程序流程圖如圖4 所示。

　　
圖4 控制系統主程序流程圖

　　為了提高軟件的運行效率，把不需要及時處理的部分放在主程序里面，而把一些需要及時處理的控制過程利用中斷的方式來進行處理，如PWM 波形的調制等需要進行周期處理的工作和必須進行及時處理的工作利用中斷方式來處理。另外CAN 通訊程序也采用中斷服務程序來處理，根據接收到的信息來決定具體的工作模式和工作參數并對變換過程進行調整。

　　3.2 數字PID控制簡要設計

　　PID 控制具有結構簡單、參數易于調整等優點，因而在連續系統控制技術中得到廣泛的應用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進行控制的方法，其控制規律為

       　　
      
       式中：K 為比例系數；

　　e 為電壓偏差信號；

　　Ti為積分時間常數；

　　Td為微分時間常數；

　　uo為初始值。

　　由于數字PID 控制是一種采樣控制，它根據采樣時刻的偏差值計算控制量，在式（1）中的積分和微分項不能直接準確計算，因此在本控制系統中采用了增量式PID算法，其控制規律的數值公式為

       　　
      
       式中：T為采樣周期。

　　由式（2）可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或精度不足時對系統影響小，累計誤差同樣也比較小，而且在每次重新啟動時，可以在原來的基礎上進行控制，減少系統的響應時間。同時也避免了因偶然因素造成控制器的輸出做大幅度的劇烈變化，使系統的可靠性大大提高。

　　對于本系統，PID 控制器的參數主要是通過試驗來確定。系統的采樣周期就是DC/DC的開關周期，根據前一個周期的采樣值來計算下個周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷就必須進行一次計算。PID 的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。

　　3.3 可編程數字化輸入輸出特性控制

　　燃料電池客車用大功率DC/DC 變換器輸入電壓范圍大約在100V左右，需要設定輸入欠壓保護，防止燃料電池電壓過低導致故障?；谇穳罕Ｗo程序實時高速采樣對達到欠壓點后進行功率限制，保證燃料電池正常工作，同時可以根據燃料電池和整車需求的變化進行數字化設置。        DC/DC 變換器輸出特性要與電機控制器、動力電池的正常工作范圍匹配，又要配合整車控制器（ECU）復雜的控制策略。所以輸出特性設計為恒壓限流和恒流限壓兩種模式，如圖5 所示。由ECU通過CAN發送給定值，兩種特性可以在發送一個CAN 控制指令周期內切換，實現了可編程的輸出特性控制。

　　
圖5 恒壓限流、恒流限壓輸出特性曲線示意圖

　　4 試驗結果及技術參數

　　整個實驗系統由所研制的燃料電池發動機用90 kW Boost DC/DC 變換器、100 kW 燃料電池模擬裝置、電機及其控制器、PC 機以及數字示波器等測試設備組成。變換器的IGBT開關電壓波形，PWM 驅動波形的測試結果如圖6 所示，從波形中可以看出，Boost變換器開關管的開關電壓和驅動波形均較理想，變換器的開關功率損耗較小。

　　
圖6 IGBT開關電壓和PWM驅動波形

　　系統的輸出響應曲線如圖7 所示, 從圖7 中可以看到，系統的輸出電壓從380V降到340V只需要不到200 ms 的時間，響應速度較快、超調量小且穩態控制精度較高。

　　
圖7 系統的給定響應曲線

　　燃料電池發動機用90kW Boost DC/D

C 變換器技術參數如下：

　　（1）輸入電壓國DC臆350V；

　　（2）輸出電壓國DC 350~450V；

　?。?）輸出電流國200~250 A；

　　（4）額定功率點效率國逸97%；

　?。?）輸出紋波國臆1%；

　　（6）通過CAN通訊實現具有可編程的外特性控制，即恒壓限流、恒流限壓；

　?。?）系統的自主控制與整車控制器（ECU）控制兩種控制方式隨意切換。

　　5 結語

　　所研制的燃料電池客車用數字化90 kWBoost DC/DC 變換器采用IGBT 作為功率開關管，具有較高的效率和可靠性；控制系統采用數字處理芯片和數字控制技術, 具有很高的實時性和良好的可編程控制功能，滿足了整車復雜的控制要求；整機采用模塊化方式，可以和整車進行可靠的通訊，人機交互性好。該變換器已經成功地應用在國內第一輛燃料電池城市客車上，各項技術指標均滿足使用要求。

　　參考文獻
       [1] 陳全世, 仇斌, 謝起成, 等. 燃料電池電動汽車[M] .清華大學出版社. 2005.
       [2] Quanshi Chen,Bin Qiu,Qicheng Xie. Fuel Cell Electrical Vehicle[M]. Tsinghua University Press. 2005.
       [3] Chan C C. The Present Status and Future Trends of Electric Vehicles [A]. Proceedings of First Circular of China -Japan Electric Vehicle Joint Conference [C].Beijing: Beijing Institute of Technology Press. 2001.
       [4] 張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計[M]. 北京: 電子工業出版社，2005.
       [5] 劉和平，王維俊，江渝，鄧力. TMS320LF240x DSP C語言開發應用[M], 北京：北京航空航天大學出版社，2003.