氫燃料電池汽車雙向升降壓DC/DC變換器控制方式改進(jìn)

張敏海

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

0 引 言

近年來，隨著氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池汽車隨之迅速發(fā)展。DC/DC作為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，作為氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)燃料電池與整車高壓之間的解耦，實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力系統(tǒng)之間的功率分配和優(yōu)化控制，穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響氫燃料電池汽車的穩(wěn)定性。

1 DC/DC主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為氫燃料電池汽車中3路移相雙向升降壓DC/DC主回路結(jié)構(gòu)圖，主要由6塊IGBT及3個(gè)電感等器件組成全橋變換電路。通過控制IGBT功率器件Q4～Q6下橋臂管的開通與關(guān)斷，當(dāng)Q1～Q3上橋臂管全通、下橋臂管全關(guān)、Q4～Q6的上橋臂管全關(guān)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)第一側(cè)直流電壓按比例升壓至第二側(cè)高壓。通過控制IGBT功率器件Q1～Q3上橋臂管的開通與關(guān)斷，當(dāng)Q1～Q3的下橋臂管全關(guān)，Q4～Q6的上下橋臂管全關(guān)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)第一側(cè)直流電壓按比例降壓至第二側(cè)低壓[1]。同理，從第二側(cè)至第一側(cè)升降壓工作過程類似于第一側(cè)至第二側(cè)過程。

圖1 3路移相雙向升降壓DC/DC主回路結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)有控制方式

目前，市面上氫燃料電池DC/DC變換器，大都采用單閉環(huán)PI控制方式。單閉環(huán)PI控制根據(jù)給定目標(biāo)電流及總輸入或輸出端采集的電流（TA1或TA2）以及DSP芯片進(jìn)行PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出PWM控制Q1～Q6功率管，以達(dá)到控制目的[2]。由于各支路電流沒有進(jìn)行實(shí)時(shí)均流調(diào)節(jié)，因此經(jīng)常會(huì)因?yàn)橛布?shù)不完全一致出現(xiàn)不均流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致一系列的安全問題。

圖2為現(xiàn)有控制方式電路框圖，其中控制方式采用的是單閉環(huán)PI控制方式。在3路移相雙向升降壓電路中，由于主電路由3路全橋電路并聯(lián)組合，各支路的電氣參數(shù)存在一定的差異性，因此當(dāng)控制器移相脈沖控制IGBT橋臂時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各支路電流不均衡的現(xiàn)象。輕微不平衡會(huì)引起電流大的支路IGBT發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重不平衡時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，IGBT損壞，使得DC/DC變換器不能正常工作，嚴(yán)重影響氫燃料電池汽車的正常行駛[3]。

圖2 現(xiàn)有控制方式結(jié)構(gòu)圖

3 改進(jìn)控制方式

針對(duì)氫燃料電池DC/DC變換器現(xiàn)有控制方式的缺點(diǎn)，本文提出多路閉環(huán)PI控制方式解決DC/DC變換器內(nèi)各支路電流不均衡問題[4]。圖3為改進(jìn)后控制方式框圖，在硬件電路的每一支路電感處新增傳感器，分別為TA3、TA4以及TA5。多路閉環(huán)PI控制采用的是將給定目標(biāo)電流均分成3等份作為3條支路的給定量，將3條支路電流傳感器TA3、TA4以及TA5采集回的電流作為反饋，分成3條支路進(jìn)行移相PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出PWM控制Q1～Q6功率管。由于每條支路使用單獨(dú)的PI調(diào)節(jié)，可以較高精度地保證每條支路電流等于給定電流，因此可以實(shí)現(xiàn)三條支路均流控制，保證DC/DC變換器可靠運(yùn)行[5]。

圖3 改進(jìn)后控制結(jié)構(gòu)圖

4 建模仿真驗(yàn)證及分析

針對(duì)現(xiàn)有控制方式及改進(jìn)后的控制方式，使用MATLAB軟件中的Simulink分別搭建仿真模型。考慮到仿真模型較大，因此只以升壓模式為例進(jìn)行仿真。圖4為現(xiàn)有控制方式的升壓電路及控制模型，模型中將直流電源作為低壓端，將功率電阻作為高壓端，用IGBT及電感組成非隔離半橋升壓電路。控制部分由給定值及輸入端總電流為反饋值，將兩者之差輸入到PI調(diào)節(jié)器內(nèi)進(jìn)行單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，最終輸出PWM信號(hào)控制IGBT開關(guān)，達(dá)到升壓的目的[6]。

圖4 現(xiàn)有控制方式升壓仿真模型

根據(jù)實(shí)際氫燃料電池大巴汽車升壓比例及功率，仿真參數(shù)設(shè)置如下：開關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz，電感值設(shè)置為220 μH，低壓端直流電壓設(shè)置為150 V，高壓端功率電阻設(shè)置為8.04 Ω，給定電流設(shè)置為300 A，升壓至650 V，功率為45 kW，PWM信號(hào)進(jìn)行移相設(shè)置。在設(shè)置完參數(shù)后啟動(dòng)仿真，通過仿真圖中的示波器觀測(cè)到3條支路電流波形圖如圖5所示。從各支路電流波形來看，3條支路均電流存在不均衡現(xiàn)象，但第一支路承擔(dān)電流明顯偏大，導(dǎo)致第一路負(fù)荷較大，發(fā)熱嚴(yán)重，長(zhǎng)期工作過程中容易導(dǎo)致第一支路IGBT損壞，嚴(yán)重影響DC/DC變換器的安全，從而影響氫燃料汽車的運(yùn)行安全。

圖5 現(xiàn)有控制方式仿真支路電流波形

圖6為改進(jìn)控制方式后的仿真模型圖。該模型只將圖4模型中控制部分的單閉環(huán)調(diào)節(jié)改成3條支路分別PI閉環(huán)調(diào)節(jié)[7]。將總電流給定值除以3，分別作為3條支路的給定值。反饋值從各支路電流傳感器采集，分別進(jìn)行移相PI調(diào)節(jié)，輸出PWM控制IGBT工作[8]。仿真模型的參數(shù)設(shè)置與圖4模型參數(shù)設(shè)置一致。

圖6 改進(jìn)控制方式升壓仿真模型

在設(shè)置完參數(shù)后啟動(dòng)仿真，通過仿真圖中的示波器觀測(cè)到3條支路電流波形圖如圖7所示。從各支路電流波形來看，3條支路電流非常均衡，相對(duì)于圖5電流波形，有了較大的改善，保證了各個(gè)IGBT的發(fā)熱均衡及可靠工作，使氫燃料電池汽車電氣系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 改進(jìn)控制方式仿真支路電流波形

5 結(jié) 論

本文提供的DC/DC變換器多閉環(huán)PI控制方法可以實(shí)現(xiàn)多路移相控制中各支路電路的均流，保證各IGBT能均衡工作，散熱良好，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)降低了主回路各支路電氣參數(shù)制造生產(chǎn)的難度，可以允許各支路器件電氣參數(shù)存在一定的誤差，提高了控制精度，減少了輸出紋波，有利于整個(gè)燃料電池汽車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。