燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設計與應用

與傳統汽車一樣，燃料電池汽車也必須具有很強的機動性，以便對不同的路況及時做出相應的反應，為滿足機動性的要求，燃料電池汽車驅動所需功率會有較大的波動，這與燃料電池的輸出特性偏軟是相矛盾的。另一方面，燃料電池的輸出功率若波動較大，其效率會大大下降，反面影響其機動性能。因此，若以燃料電池作為電源直接驅動，一方面輸出特性偏軟，另一方面燃料電池的輸出電壓較低，在燃料電池與汽車驅動之間加入DC/DC變換器，燃料電池和DC/DC變換器共同組成電源對外供電如圖2所示，從而轉換成穩定、可控的直流電源。合理的DC/DC變換器的設計對燃料電池車顯的尤為重要。

2,DC/DC基本硬件電路及工作原理

DC/DC變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可以分為沒有電氣隔離和有電器隔離的直流變化器兩類。按工作電路區分有降壓式（BUCK），升壓式（BOOST），升降壓式（BUCK/BOOST），庫克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六種[1]。設計采用沒有隔離的雙向Zeta-Sepic直流變換器電路，工作原理電路圖如圖3所示。

主電路由兩開關管Q1和Q2，兩二極管D1和D2構成。Q1和Q2為PWM工作方式，互補導通，有死區時間。變換器輸出與輸入電壓間的關系為V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy為Q2的占空比。                      

3,DC/DC變換器控制單元和輔助單元電路設計

Zeta-Sepic電路是DC/DC變換器的核心組件，車載DC/DC變換器除此外還包括          

控制單元和輔助單元電路，其性能直接影響Zeta-Sepic電路的工作質量和整車控制器的準確運行。控制單元與輔助單元電路同Zeta-Sepic一同構成DC/DC變換器的總體硬件電路。

3.1控制單元

控制單元選用單片機MC9S12D64，它延續了飛思卡爾半導體在車用微控制器領域的優良傳統，是以速度更快的S12內核（Star Core）為核心的單片機MC9S12系列的成員，管腳兼容，存儲器可以得到升級。并且片內有多種外圍設備可供選擇。 MC9S12D64共有8種工作模式，模式的設定通過復位期間采集BKGD、MODB、MODA三個引腳的狀態來實現[5]。增強了應用的可選擇性。控制單元通過CAN通訊網絡接受整車控制器的指令，按照協議翻譯指令對燃料電池電堆提取相應的功率，并將通過傳感器檢測到的DC/DC變換器的高低端的電流電壓值按照協議上傳CAN通訊網絡。同時讀取溫度傳感器的值，根據要求適時的啟動散熱風扇。

3.2CAN通訊硬件接口電路

做為燃料

3.3 DC/DC變換器低端電壓電流測量

對DC/DC變換器的低端電壓電流進行采樣，作為控制DC/DC變換器功率的回饋參考數據，并上傳CAN網絡做為整車控制的重要參考數據。和低端的電流采樣用傳感器WBV151S07,為電壓隔離傳感器，輸入范圍為0～75mV,輸出為0～5V，供電為±12V。被測母線通過分流，將電流以比例衰減到電流傳感器的輸入范圍內，并通過車用微控制器MC9S12D64的AD采樣傳感器的輸出端。

和低端的電壓采樣用傳感器WBV151S01，當被測電壓低于500V時，將電壓傳感器直接掛接到被測母線上，通過控制器AD采樣接口讀取傳感器輸出端的值。

3.4溫度傳感器

車載DC/DC變換器為大功率器件，散熱是重要性能指標之一，因此為DC/DC變換器設置了溫度傳感器，來實時檢測溫度，當散熱器不能滿足其散熱要求時，根據溫度傳感器采集的溫度量來啟動散熱風扇，并以溫度為依據設定風扇的轉速大小。溫度檢測采用的是美DALLAS半導體公司生產的可組網數字式溫度傳感器DS18B20。它的測量范圍為﹣50℃到﹢125℃，精度可達0.1℃，不需要A/D轉換，直接將溫度值轉換為數字量。DS18B20嚴格的遵守單線串行通信協議，每一個DS18B20在出廠時都用激光進行調校，并具有的64位序列號。這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。

工作中控制單元對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳過ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暫存器指令分別為：寫暫存存儲器(4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(48H)、溫度轉換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

4,DC/DC變換器的軟件設計

軟件設計的開發環境為Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機應用開發的軟件包。包括集成開發環境IDE、處理器專家庫、全芯片仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調試器。其調試方式為BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一種系統調試方式，具備基本的調試功能，包括資源訪問及運行控制，與指令掛牌及斷點邏輯配合就可以實現很多重要的開發功能。

4.1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器設計三種工作模式，使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC處于未被啟動狀況，需要將其引出的兩使能腳短路使其使能成功，使能成功后即進入正常工作模式，在正常工作模式下可對DC/DC變換器進行提取功率操作。DC/DC的控制單元如果檢測到故障，將使DC/DC變換器進入故障模式，此時整車控制器指令對DC/DC變換器的操作無效。

4.2DC/DC變換器工作協議

作為燃料電池車的電壓變換器，需要根據工作方式制定協議，并規定每上傳比特位的意義，DC/DC變換器則根據相應的協議向整車CAN網上傳數據，整車控制器則從CAN網上采集相應的數據按協議翻譯并參與控制策略運算。DC/DC變換器的協議包括上傳數據協議和接受數據協議。