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基于DSP控制的燃料电池客车用DC/DC变换器研究

ADGIC网-IC库存网 日期: 2008/4/14
 

摘要:简要介绍了研究燃料电池客车用数字化DC/DC变换器的意义,以Boost变换器为例分析了DC/DC变换器主电路工作原理,设计了基于TMS320LF2407A的控制系统硬件电路平台以及控制系统的软件,并给出了燃料电池客车用90 kW Boost变换器试验结果及其技术参数。数字化DC/DC变换器实现了变换器的软开关和可编程的数字化控制,具有良好的输出和响应特性,可以满足燃料电池客车复杂的控制要求及城市工况运行要求,并且已经在城市工况下示范运行。
关键词:燃料电池客车;DC/DC变换器;数字控制


0 引言
    能源短缺及环境污染的问题成为当今世界迫切需要解决的综合问题,而传统的汽车工业便是能源与环境最大杀手之一,发展清洁、高效的汽车新动力能源已成为十分紧迫的任务。燃料电池(Fuel Cell)就是这样一种绿色能源技术。为了改善燃料电池较“软”的输出特性,通过DC/DC变换器将燃料电池的电压变换后给主驱动电机及其控制系统,满足它们输入特性的要求,这样就使得燃料电池输出特性变“硬”,并且匹配了变换器的输出阻抗,所以具有良好控制特性,并且实现数字化控制、通讯和保护的可靠稳定的DC/DC变换器的研制就成为迫切的需求。
    近年来DSP技术的日臻完善,标志着数字化技术的兴起,使得控制领域又面临着一次重大的技术变革。因此,针对燃料电池客车专用大功率DC/DC变换器数字化技术进行研究,开发出国产的专用数字化大功率DC/DC变换器,对我国的电动汽车的发展和普及,将具有十分重要的理论意义和工程应用价值。


l DC/DC变换器主电路构成
    变换器主电路是基础,直接影响到DC/DC变换器的性能。DC/DC变换器主电路结构简单;工作效率高,显著提高整车的经济性;且自身工作频率高,具有高响应速度,易于实现复杂多变的输入输出特性,可以满足不同控制策略的要求。所以,燃料电池客车用功率混合转换装置放弃了全桥式逆变的主电路拓扑结构而选用Boost和Buck型主电路拓扑。
    DC/DC变换器按功能可分为:升压变换器(Boosf Conventer)、降压变换器(Buck converter)和升降压变换器(Boost-Buck converter),在燃料电池汽车中主要采用升压或降压变换器,其原理图如图I和图2所示。



    以图2 Boost变换器为例,简单分析其工作原理:当开关管S导通时,电流Iin流过电感L,电流线性增加,电能以磁能形式储存在电感线圈中。此时,电容C放电,负载上流过电流Io并在其两端形成输出电压Vo,极性上正下负。因为开关管S导通,二极管D阳极接负极,D承受反压,所以电容不能通过开关管放电。开关管S由导通变为截止时,电感L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性,以保持Iin的不变。这样磁能转化成的电压V1与电源电压VFC串联,以高于Vo的电压向电容C、负载供电。高于Vo时,电容C有充电电流;等于Vo时,充电电流为零;当Vo有降低趋势时,电容向负载放电,维持Vo不变。由于VL+VFC向负载供电时,V。高于VFC,从而有了升压的结果。


2 基于TMS320LF2407A的控制电路硬件设计
    采用数字信号处理器作为开关电源的控制器不仅可以克服分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点,还可以解决单片集成控制器不灵活的弱点;而且DSP数字处理器具有工作频率高、指令周期短和改进的总线结构等优点,具有强大的数字处理功能。
    TMS320LF2407A是德州仪器(TI)公司24X系列DSP控制器的成员,它在电机的数字化方面已经得到了广泛的应用,通过编程和外部电路的配合,完伞能够实现燃料电池用大功率DC/DC变换器的数字化。图3为控制系统的功能框图,控制系统以TMS320LF2407A为核心,通过外部附加电路来实现系统所需要的各项控制功能:
    (1)通过滤波电路对传感器输入信号进行处理,然后由ADC采样电路进行数字采样并送入中央处理器:
    (2)由TMS320LF2407A直接生成PWM控制信号,经过隔离驱动放大后来控制功率开关管的开通与关断;
    (3)利用处理器内部的I/O口来实现一些外围的附加控制功能,比如:指示灯显示、电路的缓吸、接触器的控制、散热风扇的开关控制等;
    (4)通过CAN2.0控制器与整车控制器进行远程通讯与控制。



    燃料电池客车数据采样电路的目的是获取系统的输出电压、电流控制反馈信号;功率器件的温度、电流、电压保护反馈信号。信号传输给控制板通过TMS320LF2407A内部集成的10位精度的带内置采样/保持的模数转换模块(ADC)后进行数据运算和逻辑判断。该10位ADC是高速ADC,最小转换时间可达到500ns,对于20~50kHz的开关电源来讲,完全可以做到周期采样的控制要求,从而保证了 DC/DC变换器的高速响应时间。
    在DC/DC运行过程中,可能会发生一些异常状态,例如由于器件损坏等原因,造成DC/DC不工作;电路出现短路;IGBT和功率二极管过流;散热器过热等。对于以上异常状态,都从硬件电路上给予充分设计并采取相应的保护措施。


3 控制系统软件设计
    控制系统负责整个变换过程的控制和通讯,实现过程的数字化。燃料电池客车用大功率DC/DC变换器的控制软件采用C语言和汇编语言混合编制,在完成其控制功能的同时,力求程序结构合理简单,以适应大功率开关电源对控制系统的稳定性和可靠性的要求。
3.1 软件的整体结构
    控制软件主要包括以下几个部分:采样处理环节;由采样值来计算输出脉宽,并根据此值调整输出的PWM脉冲宽度;CAN通讯来接受控制指令并发送输出的电流、电压值、温度、状态码等信息;中断服务程序;故障处理及保护功能程序。控制系统初始化程序和主程序流程图如图4所示。



    为了提高软件的运行效率,把不需要及时处理的部分放在主程序里而,而把一些需要及时处理的控制过程利用中断的方式来进行处理,如PWM波形的调制等需要进行周期处理的工作和必须进行及时处理的工作利用中断方式来处理。另外CAN通讯程序也采用中断服务程序来处理,根据接收到的信息来决定具体的工作模式和工作参数并对变换过程进行调整。
3.2 数字PlD控制简要设计
    PID控制具有结构简单、参数易于调整等优点,因而在连续系统控制技术中得到广泛的应用。它是一种按照被控制量偏差的比例、积分和微分通过线性组合进行控制的方法,其控制规律为

    
式中:K为比例系数;
    e为电压偏差信号;
    Ti为积分时间常数;
    Td为微分时间常数;
    uo为初始值。
    由于数字PID控制是一种采样控制,它根据采样时刻的偏差值计算控制量,在式(10中的积分和微分项不能直接准确计算,因此在本控制系统中采用了增量式PID算法,其控制规律的数值公式为

    
式中:T为采样周期。
    由式(2)可以看出,增量式算法只需要保存前三个时刻的偏差值,占用空间小,计算误差或精度不足时对系统影响小,累计误差同样也比较小,而且在每次重新启动时,可以在原来的基础上进行控制,减少系统的响应时间。同时也避免了因偶然因素造成控制器的输出做大幅度的剧烈变化,使系统的可靠性大大提高。
    对于本系统,PID控制器的参数主要是通过试验来确定。系统的采样周期就是DC/DC的开关周期,根据前一个周期的采样值来计算下个周期的输出脉宽,每一次采样中断就必须进行一次计算。PID的算法嵌套在ADC的中断处理程序之中。
3.3 可编程数字化输入输出特性控制
    燃料电池客车用大功率DC/DC变换器输入电压范围大约在IOOV左右,需要设定输入欠压保护,防止燃料电池电压过低导致故障。基于欠压保护程序实时高速采样对达到欠压点后进行功率限制,保证燃料电池正常工作,同时可以根据燃料电池和整车需求的变化进行数字化设置。
    DC/DC变换器输出特性要与电机控制器、动力电池的正常工作范围匹配,又要配合整车控制器(ECU)复杂的控制策略。所以输出特性设计为恒压限流和恒流限压两种模式,如图5所示。由ECU通过CAN发送给定值,两种特性可以在发送一个CAN控制指令周期内切换,实现了可编程的输出特性控制。



4 试验结果及技术参数
    整个实验系统由所研制的燃料电池发动机用90 kW Boost DC/DC变换器、100 kW燃料电池模拟装置、电机及其控制器、PC机以及数字示波器等测试设备组成。变换器的IGBT开关电压波形,PWM驱动波形的测试结果如图6所示,从波形中可以看出,Boost变换器开关管的开关电压和驱动波形均较理想,变换器的开关功率损耗较小。



    系统的输出响应曲线如图7所示,从图7中可以看到,系统的输出电压从380V降到340V只需要不到200ms的时间,响应速度较快、超调量小且稳态控制精度较高。
    燃料电池发动机用90 kW Boost DC/DC变换器技术参数如下:
    (1)输入电压 DC≤350V:
    (2)输出电压 DC350~450V:
    (3)输出电流 200~250 A;
    (4)额定功率点效率 ≥97%:
    (5)输出纹波 ≤l%:
    (6)通过CAN通讯实现具有可编程的外特性控制,即恒压限流、恒流限压;
    (7)系统的自主控制与整车控制器(ECU)控制两种控制方式随意切换。


5 结语
    所研制的燃料电池客车用数字化90 kWBoosl DC/DC变换器采用IGBT作为功率开关管,具有较高的效率和可靠性;控制系统采用数字处理芯片和数字控制技术,具有很高的实时性和良好的可编程控制功能,满足了整车复杂的控制要求;整机采用模块化方式,可以和整车进行可靠的通讯,人机交互性好。该变换器已经成功地应用在国内第一辆燃料电池城市客车上,各项技术指标均满足使用要求。



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