维普资讯 http://www.cqvip.com 汽车工程 ２００７年（第２９卷）第６期 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００７１１ｌ 燃料电池客车大功率ＤＣ／ＤＣ变换器 关键问题分析与探讨木 齐铂金。汪殿龙 （北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京１０００８３） ［摘要］ 简要介绍了燃料电池电动汽车的动力系统构型及其对燃料电池电动汽车ＤＣ／ＤＣ变换器的要求。从 变换器的可靠性、变换效率、静动态特性和电磁兼容性等角度对ＤＣ／ＤＣ变换器研制过程中的关键问题进行了详细 分析。所研制的变换器已经成功地应用在国内多辆燃料电池城市客车中，各项技术指标均满足使用要求。 关键词：燃料电池；电动汽车；ＤＣ／ＤＣ变换器 Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｓｏｍｅ Ｋｅｙ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｕｓ Ｑｉ Ｂｏｊｉｎ＆Ｗａｎｇ Ｄｉａｎｌｏｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｉｎ ａ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ—ｄｅｔａｉｌ ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔｓ ｔｏ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｔａｔｉｃ＆ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈｏｍｅ—ｍａｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｃｉｔｙ ｂｕｓｅｓ ｗｉｔｈ ａｌｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ 统的构型主要有两种：能量混合型和功率混合型心 日ＩＪ吾 图１为能量混合型燃料电池汽车的动力系统构 型，这种动力构型对主ＤＣ／ＤＣ变换器的功率和效率 考虑到燃料电池发动机的电输出特性以及整车 要求较高，以净输出为１００ｋＷ的燃料电池为例，包 系统控制的需要，在目前研制的大多数燃料电池电 括燃料电池辅助系统的功率消耗，主ＤＣ／ＤＣ变换器 动汽车中，大功率ＤＣ／ＤＣ变换器是其必不可少的关 的最大功率应在１５０ｋＷ左右，额定功率点的效率在 键零部件之一。在燃料电池电动客车中，要求ＤＣ／ ９６％以Ｅ ＤＣ变换器必须具有功率大、效率高（大于９６％）、安 全可靠、体积小等特点，因此研究大功率高效率的 ＤＣ／ＤＣ变换器十分重要 。 １ 燃料电池电动汽车动力系统构型及 其对ＤＣ／ＤＣ变换器的要求 图１能量混合型动力系统构型 目前研究中常用的燃料电池电动汽车的动力系 图２为功率混合型燃料电池汽车的动力系统构 国家“十五”８６３计划电动汽车重大专项（２００１ＡＡ５０１１５１，２００３ＡＡ５０１１５２，２００５ＡＡ５０１１６０）资助。 原稿收到日期为２００６年３月２２日，修改稿收到日期为２００６年９月１１日。 维普资讯 http://www.cqvip.com 齐铂金，等：燃料电池客车大功率ＤＣ／ＤＣ变换器关键问题分析与探讨 ・４８３・ 型，燃料电池发动机和双向ＤＣ／ＤＣ变换器并联后， 与电机控制器串联。在该动力系统中，双向ＤＣ／ＤＣ 变换器是整个动力系统能量流动的重要环节，要求 具有升、降压的功能和良好的动态特性。通过控制 车辆在启动和行驶过程中对蓄电池的充放电，来调 节蓄电池与燃料电池之间的能量分配，满足电机在 不同工况下的能量需求。 图２功率混合型动力系统构型 ２ ＤＣ／ＤＣ变换器的可靠性 ２．１燃料电池客车对ＤＣ／ＤＣ变换器的可靠性要求 在燃料电池电动客车相关技术指标中，对ＤＣ／ ＤＣ变换器的可靠性从不同角度提出了具体要求。 （１）通过５５０ｈ实验室可靠耐久性试验 。 （２）通过规定的振动试验、环境适应性试验 。 （３）无故障运行里程为１万ｋｍ。 ２．２影响ＤＣ／ＤＣ变换器可靠性的３个因素 ２．２．１ ＤＣ／ＤＣ变换器器件的可靠性 变换器主要由电感、电容、电阻、功率开关管（这 里主要是ＩＧＢＴ）、功率二极管、控制系统等器件组 成。其中最薄弱的环节是ＩＧＢＴ和功率二极管。据 不完全统计，由于ＩＧＢＴ和功率二极管的损坏造成变 换器故障的比例占了８０％以上，而功率二级管出现 故障的几率又大于ＩＧＢＴ；同时，变换器在大功率工 作条件下出现的故障率又大于中小功率负载的工作 条件下的故障率。对于器件的可靠性，器件选型及 主电路拓扑结构具有决定意义。 ２．２．２ ＤＣ／ＤＣ变换器的散热性能 ・ 变换器的散热性能取决于变换器的发热量、散 热方式和散热环境３个环节。 变换器的发热量取决于变换器的功率和效率， 所有的功率损耗都以热能的形式散发出去，如果热 量不能及时通过传导或者辐射的方式流出，就会造 成热量的积累，变换器的温度越来越高，最终导致变 换器热保护甚至变换器损坏。 变换器的发热功率 ｜Ｐ热损＝｜Ｐ实际（１一叼） （１） 式中｜Ｐ宴际表示变换器的实际工作状态的平均功率； 卵表示变换器实际工作状态的平均效率。 变换器的散热方式主要有风冷和水冷两种方 式，目前国内燃料电池客车的整车动力系统采取风 冷和水冷两种方式散热，ＤＣ／ＤＣ变换器采用风冷散 热。风冷散热要考虑功率器件的布局、散热器的大 小和散热风扇的选取。 变换器的散热环境主要是指变换器的安装位置 周围的环境，包括环境温度、通风条件、安装位置附 近是否还有其他发热装置等。 变换器散热设计的思路：达到热平衡需要的温 度梯度与环境温度之和小于等于变换器的热保护温 度，即： △ 换器＋ 境≤ 护 （２） 式中△ 换器表示变换器温升达到热平衡的温度梯 度； 境表示变换器周围环境温度； 护表示变换器 的热保护阈值，一般采用８５℃。 ２．２．３变换器的环境适应性 变换器的环境适应性主要是指变换器在不同运 行环境下能否正常工作的能力，如变换器的抗震性 能、温度适应性、防水、防尘能力等。 提高变换器的环境适应性需要对变换器的运行 环境进行充分的调研、模拟、分析和计算，要对各种 极端恶劣环境予以考虑，通过优化变换器结构设计， 提高装配工艺等措施提高环境适应性。 ３ ＤＣ／ＤＣ变换器的效率 效率是ＤＣ／ＤＣ变换器的一个非常重要的技术 指标，尤其在大功率场合下，效率尤其重要。在燃料 电池电动汽车相关技术指标中，要求变换器的额定 功率点的效率大于９６％［ｓｊ。 ３．１ 变换器效率对燃料电池车燃料经济性的影响 普通燃油发动机的效率一般在３５％左右，目前 国内上海神力公司的大功率燃料电池发动机的效率 在４０％～５０％之间 Ｊ，燃料电池发动机的输出功率 经过变换器后，有一定的损耗。燃料电池发动机效 率为４５％时，串联主ＤＣ／ＤＣ变换器（效率９６％）后， 总的输出效率变为４３．２％，如果变换器的额定功率 点效率提高到９８％，则燃料电池发动机加上变换器 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４８４・ 汽车工程 ２００７年（第２９卷）第６期 总的效率上升到４４．１％，提高了将近１个百分点，这 变换器的动态特性主要是指给定值变化时，变 在燃料电池车动力系统中是非常可观的。 换器输出电压或电流的响应时间，一般用输出电压 ３．２提高变换器效率的主要途径 或输出电流与时间的关系来表示。 ３．２．１ 变换器功率器件的选择 。＝ ｔ） （３） 变换器的主要功率损耗来自于功率开关器件 ｉ。＝ ｔ） （４） ＩＧＢＴ和功率二极管的导通与开关损耗，在选用上述 动态特性的技术指标对于主ＤＣ／ＤＣ变换器和 两个器件时尽量选用通态电阻小、导通和关断时间 双向ＤＣ／ＤＣ变换器的要求不一样，这是由燃料电池 短的器件，这是减小开关损耗的主要途径之一。 车的动力构型决定的。对于双向ＤＣ／ＤＣ变换器在 另外，电感、电容和电阻也有一定的功率损耗， 功率混合型动力系统中的动态响应特性（如动态响 电感可以在制作工艺上减小漏感量，电容尽量选用 应速度）的要求是很高的。蓄电池和燃料电池的功 高频无感电容，减少功率电阻的使用等等都可以在 率混合要靠双向ＤＣ／ＤＣ变换器来实现，功率混合的 一定程度上提高变换器的效率。 最大功率混合和加速混合这２个状态都要求在极短 ３．２．２变换器的主电路结构 的时间内完成。因此如果整车具有能量回馈的功 变换器的主电路结构决定了变换器的工作方 能，要求变换器响应更快。图４和图５是所研制的 式。目前用于燃料电池大功率ＤＣ／ＤＣ变换器的主 双向ＤＣ／ＤＣ变换器升、降压的输出电压 响应时 电路拓扑包括隔离和非隔离两大类，隔离式主电路 间曲线。 结构一般为桥式拓扑（半桥和全桥），非隔离式主电 路结构一般为ｂｏｏｓｔ电路和ｂｕｃｋ电路。从效率上比 较，桥式主电路的效率最高也就９０％左右，而ｂｏｏｓｔ 电路或ｂｕｃｋ电路的平均效率可以达９５％以上，所以 主要采用非隔离式主电路结构。． 另外，在主电路结构中引入软开关技术可以明 显提高变换器的效率，这将是燃料电池电动汽车大 功率ＤＣ／ＤＣ变换器主电路拓扑的发展方向。图３ 是北航所研制的变换器采用软开关技术后在不同功 图４双向ＤＣ／ＤＣ变换器降压侧响应时间 率点的效率曲线。 槲 功率／ｋＷ 图５ 双向ＤＣ／ＤＣ变换器升压侧响应时间 图３ 大功率ＤＣ／ＤＣ变换器不同功率点效率曲线 从图４和图５可以看出，无论升压和降压方向， 变换器的动态响应时间都在１６０ｍｓ以内，从试验运 ４ ＤＣ／ＤＣ变换器的静、动态特性 行的结果看，可以初步满足双向功率变换的动态特 性要求，但为了进一步提高动力系统的加速性能，双 在燃料电池电动汽车动力系统中，变换器的静 向ＤＣ／ＤＣ变换器的动态响应时间还有进一步提高 动态特性也是一个重要技术指标。 的必要。 变换器的静态特性和主电路结构设计、控制方 式以及采样环节选用器件的精度有很大的关系，对 ５ ＤＣ／ＤＣ变换器的电磁兼容性 于ＤＣ／ＤＣ变换器，静态输出越稳定，纹波越小越好， 目前的研制水平可以达到１％ 』。 ＤＣ／ＤＣ变换器是个大功率变换装置，其电磁兼 维普资讯 http://www.cqvip.com 齐铂金，等：燃料电池客车大功率ＤＣ／ＤＣ变换器关键问题分析与探讨 ・４８５・ 容性在整个燃料电池车电磁环境中具有重要影响。 由于目前对于燃料电池电动汽车的电磁兼容性还没 有成文的国家标准，燃料电池车用ＤＣ／ＤＣ变换器电 磁兼容性试验主要以ＴＢ／Ｔ ３０３４－－２００２机车车辆电 气设备电磁兼容性试验及其为主要参考标 准 。 电磁兼容性主要包括电磁抗扰度和对外骚扰度 ２个方面，对于燃料电池电动汽车ＤＣ／ＤＣ变换器， 应重点研究其对外界的骚扰度。在骚扰度试验中， 以传导骚扰和电磁辐射骚扰两项最为重要，分别对 应频率１ｋＨｚ～３０ＭＨｚ和３０ＭＨｚ～１ＧＨｚ，涵盖了对 外骚扰的低频和高频段。 ５．１ ＤＣ／ＤＣ变换器的传导骚扰 传导干扰分为差模传导干扰和共模传导干扰两 种，它们通过导线、电感、电容等途径耦合到其他零 部件甚至整车ＣＡＮ通信网络之中。从得到的试验 结果分析，ＤＣ／ＤＣ变换器对外的传导骚扰主要集中 在开关频率点（通常为２０ｋＨｚ）及其附近的频谱范围 内，该干扰的根源来自于功率器件ＩＧＢＴ和二极管的 ｄｉ／ｄｔ、ｄｕ／ｄｔ，并且功率越大对外干扰越大。 变换器的传导骚扰很难从根本上得到消除，但 可以通过屏蔽、滤波、接地等措施使其被抑制在一定 的范围之内。从实际的解决效果来看，对变换器的 输入输出端口增加大功率的滤波器是一种非常有效 的解决传导骚扰的办法，但滤波器的设计需要和变 换器内部的参数、输入输出阻抗匹配才能充分发挥 作用。 另外，变换器主电路采用软开关技术，可以从很 大程度上减小开关器件的ｄｉ／ｄｔ、ｄｕ／ｄｔ，很好地降低 传导骚扰的幅值和频谱范围。 ５．２ ＤＣ／ＤＣ变换器的辐射骚扰 ＤＣ／ＤＣ变换器的辐射骚扰主要是指变换器的 电磁辐射通过空间传播的干扰辐射场强，具有很明 显的空间特性。辐射骚扰主要分布在３０ＭＨｚ以上 的高频段，通过天线耦合、导线感应耦合和闭合回路 耦合，对于燃料电池电动汽车的电磁环境而言，主要 是通过电缆导线感应并沿导线进入其他零部件，或 者通过接收装置的天线感应而被干扰。 ＤＣ／ＤＣ变换器的电磁辐射试验结果表明：在水 平方向上可满足试验标准，而在垂直方向上在３０～ ７０ＭＨｚ的某些频率点有超标现象，最高超标值为 ５４ｄＢｕＶ／ｍ，高出测试标准１４ｄＢｕＶ／ｍ，这主要和变 换器内部功率器件的布局和变换器的密封有很大关 系。器件合理布局和良好的屏蔽有利于减小变换器 的辐射骚扰。 ６ ＤＣ／ＤＣ变换器的车载试验结果 国家科技部于２００１年启动了“十五”８６３电动 汽车重大专项，由清华大学会同国内多家科研院所、 企业共同完成了“燃料电池城市客车”课题的研究 工作。截止到２００５年底，共研制开发各种动力构型 的燃料电池大客车５辆，其中３辆已投入城市工况 的实际运行考核。 北京航空航天大学作为主要完成单位完成了 “燃料电池城市客车ＤＣ／ＤＣ变换器”课题的研究工 作，先后累计研发主ＤＣ／ＤＣ变换器、双向ＤＣ／ＤＣ变 换器、辅助ＤＣ／ＤＣ变换器４０余套并装车运行。在 目前运行的由清华大学研制的全部５辆燃料电池大 客车中，其中的２辆车为能量混合型动力构型，安装 主ＤＣ／ＤＣ变换器，另外的３辆车为功率混合型动力 构型，安装双向ＤＣ／ＤＣ变换器。其中单辆车最高运 行里程已达３万ｋｍ，示范运行时间从炎热的夏季到 寒冷的冬季，包括一些雨雪、大风等恶劣环境条件， 车载各类ＤＣ／ＤＣ变换器零故障运行，并且各项技术 指标均满足使用要求。 参考文献 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