基于DSP控制的燃料电池客车用DC/DC变换器研究

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。

　　
图4 控制系统主程序流程图

　　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面，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PID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（1）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100V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。

　　
图5 恒压限流、恒流限压输出特性曲线示意图

　　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。

　　
图6 IGBT开关电压和PWM驱动波形

　　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200 ms 的时间，响应速度较快、超调量小且稳态控制精度较高。

　　
图7 系统的给定响应曲线

　　燃料电池发动机用90kW Boost DC/DC 变换器技术参数如下：

　　（1）输入电压国DC臆350V；

　　（2）输出电压国DC 350~450V；

　　（3）输出电流国200~250 A；

　　（4）额定功率点效率国逸97%；

　　（5）输出纹波国臆1%；

　　（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 kWBoost 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。