燃料电池车载大功率DCDC变换器的设计与应用

1，前言

DC/DC变换器是燃料电池车动力系统中一个重要部分。主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。如何有效地控制变换器的各个参数，不仅关系到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常运行，而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他控制系统可靠的运行[3]。燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电动机驱动器匹配，其电流-电压特性曲线如图1所示。在燃料电池加负载的起始阶段，电压Ufc下降较快，随着负载的增加，电流增大，电压下降，下降的斜率比普通电池大得多，故燃料电池的输出特性相对较软；对于某特定负载，输出功率的波动会导致燃料电池效率下降。

图1   燃料电池电流-电压特性曲线            

图2  燃料电池车能源驱动结构

与传统汽车一样，燃料电池汽车也必须具有很强的机动性，以便对不同的路况及时做出相应的反应，为满足机动性的要求，燃料电池汽车驱动所需功率会有较大的波动，这与燃料电池的输出特性偏软是相矛盾的。另一方面，燃料电池的输出功率若波动较大，其效率会大大下降，反面影响其机动性能。因此，若以燃料电池作为电源直接驱动，一方面输出特性偏软，另一方面燃料电池的输出电压较低，在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC变换器，燃料电池和DC/DC变换器共同组成电源对外供电如图2所示，从而转换成稳定、可控的直流电源。合理的DC/DC变换器的设计对燃料电池车显的尤为重要。

2,DC/DC基本硬件电路及工作原理

DC/DC变换器按输入与输出间是否有电气隔离可以分为没有电气隔离和有电器隔离的直流变化器两类。按工作电路区分有降压式（BUCK），升压式（BOOST），升降压式（BUCK/BOOST），库克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六种[1]。设计采用没有隔离的双向Zeta-Sepic直流变换器电路，工作原理电路图如图3所示。

主电路由两开关管Q1和Q2，两二极管D1和D2构成。Q1和Q2为PWM工作方式，互补导通，有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为V2／V1=Dy／(1-Dy),式中，Dy为                                               

图3 双向Zeta-Sepic直流变换器设计电路图

图4  能量从V1向V2流动     

图5  能量从V2向V1方向流动         

图6  交替工作方式                        

Q2的占空比。图4为能量从V1向V2方向流动时电感电流波形，因Dy＞0.5，故V2＞V1，I1＞I2，I1为电源电流平均值，I2为输出电流平均值。并且IL1＞IL2，IL1和IL2为电感电流平均值。电容C1电压VC1为VC1=VC2，不论能量流动方向如何，电容C1电压极性总是左负右正。功率器件承受的电压VQ=VD=V1+V2=V1／(1-Dy)，开关管Q1和二极管D2电流平均值IQ1和ID2关系为IQ1=IL1=I1，ID2=IL2=I2。能量传输方向相反时，电流波形如图5所示，图6是交替工作方式的一种情形，因Q1的占空比Dy＞0.5，V2＞V1，I1＞I2，故IL1＞IL2，iL1的瞬时值都大于零，iL2的瞬时值出现了正负交替变化，iQ1和iQ2的瞬时值也交替变化，4个器件轮流导通[2]。在t=0～t1期间D1续流，t1～ton期间Q1导通，ton～t3期间D2续流，t3～T期间Q2导通。由于Q1是在D1续流期间导通的，故Q1为零电压开通，同理Q2亦为零电压开通，由图6知两电感电流平均值IL1和IL2均大于零，故这种情况下平均能量是从V1向V2方向传输。                         

3,DC/DC变换器控制单元和辅助单元电路设计

Zeta-Sepic电路是DC/DC变换器的核心组件，车载DC/DC变换器除此外还包括           

控制单元和辅助单元电路，其性能直接影响Zeta-Sepic电路的工作质量和整车控制器的准确运行。控制单元与辅助单元电路同Zeta-Sepic一同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图7所示。    

图7  DC/DC变换器系统结构图

3.1控制单元

控制单元选用单片机MC9S12D64，它延续了飞思卡尔半导体在车用微控制器领域的优良传统，是以速度更快的S12内核（Star Core）为核心的单片机MC9S12系列的成员，管脚兼容，存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。 MC9S12D64共有8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现[5]。增强了应用的可选择性。控制单元通过CAN通讯网络接受整车控制器的指令，按照协议翻译指令对燃料电池电堆提取相应的功率，并将通过传感器检测到的DC/DC变换器的高低端的电流电压值按照协议上传CAN通讯网络。同时读取温度传感器的值，根据要求适时的启动散热风扇。

3.2CAN通讯硬件接口电路

做为燃料电池车的DC/DC变换模块，须参与整车的通讯和控制，通过接受整车控制信号指令做出相应的动作，对燃料电池提取功率。

CAN通讯接口硬件设计如图8所示，其中82C250是CAN控制器和物理总线间的接口[4]，它和CAN控制器之间采用光隔P113以提高系统的抗干扰能力。   

图8  CAN通讯接口硬件电路设计

3.3 DC/DC变换器低端高端电压电流测量

对DC/DC变换器的高端低端电压电流进行采样，作为控制DC/DC变换器功率的回馈参考数据，并上传CAN网络做为整车控制的重要参考数据。高端和低端的电流采样用传感器WBV151S07,为电压隔离传感器，输入范围为0～75mV,输出为0～5V，供电为±12V。被测母线通过分流，将电流以比例衰减到电流传感器的输入范围内，并通过车用微控制器MC9S12D64的AD采样传感器的输出端。

高端和低端的电压采样用传感器WBV151S01，当被测电压低于500V时，将电压传感器直接挂接到被测母线上，通过控制器AD采样接口读取传感器输出端的值。

3.4温度传感器

车载DC/DC变换器为大功率器件，散热是重要性能指标之一，因此为DC/DC变换器设置了温度传感器，来实时检测温度，当散热器不能满足其散热要求时，根据温度传感器采集的温度量来启动散热风扇，并以温度为依据设定风扇的转速大小。温度检测采用的是美DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20。它的测量范围为﹣50℃到﹢125℃，精度可达0.1℃，不需要A/D转换，直接将温度值转换为数字量。DS18B20严格的遵守单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行调校，并具有唯一的64位序列号。这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

工作中控制单元对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为：读ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳过ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暂存器指令分别为：写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。

4,DC/DC变换器的软件设计

软件设计的开发环境为Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12为CPU的单片机应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其调试方式为BDM方式, BDM(Background Debug Mode)是Freescale公司的一种系统调试方式，具备基本的调试功能，包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及断点逻辑配合就可以实现很多重要的开发功能。

4.1 DC/DC变换器工作模式

DC/DC变换器设计三种工作模式，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处于未被启动状况，需要将其引出的两使能脚短路使其使能成功，使能成功后即进入正常工作模式，在正常工作模式下可对DC/DC变换器进行提取功率操作。DC/DC的控制单元如果检测到故障，将使DC/DC变换器进入故障模式，此时整车控制器指令对DC/DC变换器的操作无效。

4.2DC/DC变换器工作协议

作为燃料电池车的电压变换器，需要根据工作方式制定协议，并规定每上传比特位的意义，DC/DC变换器则根据相应的协议向整车CAN网上传数据，整车控制器则从CAN网上采集相应的数据按协议翻译并参与控制策略运算。DC/DC变换器的协议包括上传数据协议和接受数据协议。

4.3流程图

如图9所示，为DC/DC变换器的工作主流程图，此外，在CAN中断处理程序中，按协议接受CAN网数据供主程序使用，并在定时中断中定时上传数据，每100ms上传一帧数据,采用CAN2.0 通讯协议，29位ID，每帧8个字节数据量通讯方式。

图9  主流程图

5,结束语

本文作者创新点：以飞思卡尔单片机MC9S12D64做为控制单元设计成的燃料电池车载DC/DC变换器经上车实验具有如下创新点：          

①DC/DC电路采用没有隔离的双向Zeta-Sepic 直流变换器电路，可靠稳定，适应燃料电池车的工作要求。②采用车用微控制器MC9SD64为DC/DC变换器的控制单元，提高了现场的抗干扰能力，确保DC/DC变换器在电磁环境较为恶劣，电磁干扰因素居多环境下正常运行。③采用数字温度传感器DS18B20检测散热器温度，使温度检测系统结构简单，抗干扰能力强，精度高；④利用CAN总线与整车CAN网通讯，与整车通讯协议匹配，保证通信流畅，提高了DC/DC变换器的通信的抗干扰能力。

关于电梯节能技术的探讨

关键词：电梯；节能技术；方法

我国改革开放以来，随着经济的飞速发展，基础设施的完善，房地产业蓬勃发展，电梯的使用也随之遍地开花。以我们七台市为例，80年代以前，除了几个企业的工业用电梯以外，几乎没有民用电梯的使用。经过20多年的发展，现在我们市在运行的电梯就有500多台，而且还在以每年20%多的速度在增长。这应该是全国的缩影，试想在我们全国960万平方公里的土地上，那么多的城市里会有多少电梯在上上下下的输送着亿万的人们。可是，在电梯已经成为司空见惯的设备，人民不可或缺的交通工具的情况下，有多少人想到过电梯节能的问题？有多少人想到如果全国每台电梯节约10度电，那将是一个什么概念？

我们知道，象我们这样的发展中的大国，虽然经过改革开放近30年的努力，各领域都有长足的进步，但是在能源的开发和消耗上和先进的国家比还有很大的差距。特别是在电梯领域我们还有很多的节能工作要做。如何去做，就是摆在我们面前的一个即关键又紧迫的任务。在实际工作中，我们摸索到几个方面的问题和解决是方法，提出来和大家共议。

(一)电梯节能的关键是电机我们知道，电梯的运行是以电机的拖动为动力的，所以电梯的 电动机拖动负载的消耗电能占总耗电量的三成以上。如果把电梯运行的时候，电梯空载上升或者是满载下降时产生的重力转变成为电能，并且通过一定的设备收集起来输送到蓄电池里，在停电模式下，就可以利用蓄电池给电机供应能量，达到节能的效果。这个技术就是能量的反馈技术。目前这个技术已经在实践只得到运用，并且收到了一定的成效。同时，一些电梯的生产厂家也利用了这个能量反馈技术生产出来节能型电梯。可是，由于这样的电梯的制造成本要高一些，所以有的单位在使用的时候往往从投入成本出发，不愿意买这样的电梯。这就需要我们多做宣传工作，和他们讲清楚节能工作对于经济的可持续发展的重要的现实意义，同时也应该和他们算细账，通过节能完全可以冲消多投入的成本，如果做好了甚至可以有节余。

(二)电梯节能的重点是机房的建设在实践中我们发现，无机房电梯要比有机房的电梯节能一半左右。这是基于电梯生产技术的进步，过去生产的电梯马达体积大，需要一个专门的房间来安装它，而且噪声大，运行不平稳。现在生产的节能电梯马达体积小，重量轻，可以安装在电梯井道顶部的导轨外侧。既节约了空间又节能，而且具有安全、舒适等特性。所以，宣传节能电梯的好处就是我们必须认真去做的工作。其实，节能工作，特别是电梯的节能工作说难也不难，关键在于我们如何去引导和宣传节能的现实意义，现在的节能电梯有很多的品种，我们应该引导企业把节能作为一个最重要的因素考虑在先，不能因为国家提倡使用节能电梯所以被动的去选择，应该是我需要节能的电梯，所以去选择。这样就把安装和使用节能电梯变成企业的自觉的行动。

 (三)电梯节能的突破口在于调压调速实际工作中我们知道，电梯的能源的消耗的重要地方是控制系统形式、悬挂方式、安装质量、驱动系统等，这些方面的重点是调压和调速， 提高电动机或负载的运行效率，而调速就是以提高负载运行效率为目标的。 用变频变压调速取代传统的交流双速异步电动机来调压调速的传统办法，就可以提高在相同的或者是比较低的能源消耗的情况下，达到电机工作效率的最大化，使电梯的使用效果更好，更快捷安全，同时达到节能的效果。现在还有采用有源能量回馈器进行电梯的节能改造，效果也是不错的，就是把电梯依靠自己的自然重力产生的能量转化成为电能，然后再利用这些电能驱动电梯产生位能，完成电梯输送人员的目的，其实，这就是电梯节能的过程。

 (四)利用光电传感装置是电梯节能的好方法在大型商场或者是人员稠密的地方都安装有扶梯，象流水一样天天运行，就是没有人的时候电梯也是运行的，能源就这样流失掉了。我们看到，有的电梯安装了光电感应设备，人上来了就动，人下去了就停， 如乘客继续进入扶梯，扶梯将一直以额定速度正常运行， 在预先设定的时间内也没有检测到有乘客进入自动扶梯，则自动扶梯将自动停止运行。我们市的国家电网公司的营业厅就是使用了这种扶梯，无人乘自动扶梯时能保证自动扶梯自动平稳过渡到节能运行，以20%额定速度运行。此时电动机的实际运行功率只有原来的40%左右，用电就明显降低。减少磨损了自动扶梯的机械系统当机械系统长时间高速运行时与慢速运行时，其磨损程度是不一样的。由于转速的下降，使机械部件的磨损明显减少，相对延长了自动扶梯的使用寿命对于设备的折旧就有很大的保护空间；机械部件的磨损大大降低了。通过我们对我们市使用光电感应设备的电梯用户的调查，普遍反映运行效果很好，而且节能效果也不错。

dcdc电路：

DC-DC是英语直流变直流的缩写，所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支，开关电源技术包括AC-DC、DC-DC两ff个分支。DC-DC电路按功能分为：
升压变换器：将低电压变换为高电压的电路。
降压变换器：将高电压变换为低电压的电路。
反向器：将电压极性改变的电路，有正电源变负电源，负电源变正电源两类。
三个主要分支，当然应用时在同一电路中会有升压反向、降压升压等功能同时存在。
DC-DC变换器的基本电路有升压变换器、降压变换器、升降压变换器三种。

dcdc电路原理：

降压变换器原理图如图1所示，当开关闭合时，加在电感两端的电压为（Vi-Vo），此时电感由电压（Vi-Vo）励磁，电感增加的磁通为：（Vi-Vo）*Ton。
当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。
当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，由于占空比D<1，所以Vi>Vo，实现降压功能。

                                         图1 降压变换器原理图
升压变换器原理图如图2所示，当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。
当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo- Vi）*Toff。
当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff，由于占空比D<1，所以Vi，实现升压功能。

                                     图2 升压变换器原理图
升降压变换器、入出极性相反原理如图3, 当开关闭合时，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton；当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，（Vi）*Ton=（Vo）*Toff，根据Ton比Toff值不同，可能Vi< Vo，也可能Vi>Vo。

                                          图3 升降压变换器原理图

电梯是高层建筑中重要的运载工具，随着经济的飞速发展人们的生活水平逐渐提高，电梯的应用也越来越多，这就出现了一个很普遍的问题——电梯故障。电梯一旦出现故障，可能发生乘客被困、坠落等危险事故。

当我们乘坐电梯时，发现速度不正常应两腿微微弯曲，上身向前倾斜，以应对可能受到的冲击。

电梯突然停止运作的时候，切勿扒门出去，因为电梯在停止运作时，里面的零件是不会正常运作的，如果收到外力干扰，可能会影响它的状态导致它突然运作。从而发生“电梯吃人”事件。因此当我们被困电梯内时，人不仅不危险反而人属于安全保护状态，乘客无生命危险，报警后，耐心等人救助即可。

被困电梯内时，应保持镇静，立即用电梯内警铃、对讲机或电话与有关人员联系，等待外部救援。如果报警无效，可以大声呼叫或间歇性地拍打电梯门。如电梯运行途中发生火灾，应使电梯在就近楼层停靠，并迅速从安全通道逃生。同时我们要紧记不要搭乘无安全检验合格标志的电梯。紧记以上几点便可保证你在遭遇电梯问题时的安全。

超级电容器又叫双电层电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，众所周知基本上与电有关联的设备都有超级电容器的用武之地，不仅它的使用方向宽广，它的用处也让它成为了未来发展路上的一颗新星。

它的用处光从上面的文字来看只是一个很抽象的画面，那么让我们从一组数据中来看下它到底有多大的用处。超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一辆 电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元。不仅如此，它还非常的耐用和环保且不会有危险——目前性能优秀的新电容器，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。超级电容也是新能源的一种，它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。这将使它在未来有着非常大的发展空间。