【摘 要】
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氢燃料电池汽车在行驶过程中只会产生水和热量,没有其他污染气体生成,因此成为新能源汽车研究领域的一个热点。在氢燃料电池汽车中,氢燃料电池是其主要动力来源,但是氢燃料电池的输出电压较低,不稳定,其输出电能汽车无法直接使用,需要使用DC/DC变换器对氢燃料电池的输出进行变换。为此,本文以DC/DC变换器为研究对象,完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器研究与设计。本文完成的主要工作内容和取得的结果如下:（
【基金项目】
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广东省佛山市仙湖实验室开放基金重大项目“基于氢燃料电池的多能源智能网联汽车关键技术”（XHD2020-003）；
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氢燃料电池汽车在行驶过程中只会产生水和热量,没有其他污染气体生成,因此成为新能源汽车研究领域的一个热点。在氢燃料电池汽车中,氢燃料电池是其主要动力来源,但是氢燃料电池的输出电压较低,不稳定,其输出电能汽车无法直接使用,需要使用DC/DC变换器对氢燃料电池的输出进行变换。为此,本文以DC/DC变换器为研究对象,完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器研究与设计。本文完成的主要工作内容和取得的结果如下:（1）完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器方案与硬件设计。以DC/DC变换器为研究对象,对氢燃料电池工作原理和输出特性进行分析,给出氢燃料电池车用DC/DC变换器设计要求,完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器主电路设计,并完成其参数设计和主要元器件选型,采用前级主电路和后级主电路两级主电路方式完成主电路设计,能加大输入电压范围。前级主电路由4路DC/DC变换模块组成,能有效地降低开关器件的电压和电流应力和开关器件疲劳失效的概率,完成升压并能提升功率;后级主电路由带变压器隔离DC/DC变换模块构成,实现进一步升压;在输入增设输入滤波电感以降低输入电流纹波。在此基础上,完成了DC/DC变换器的控制系统硬件方案与设计,完成了电压检测、电流检测、温度检测、驱动、通信和保护电路设计,并给出控制算法研究方案和软件方案。（2）完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器控制算法研究。根据氢燃料电池车用DC/DC变换器控制算法研究方案,完成氢燃料电池车用DC/DC变换器的控制算法研究,并进行仿真验证。在前级主电路中,针对多个变换模块同时工作会加大DC/DC变换器的损耗问题,提出DC/DC变换模块切换方法,为了使功率平均分配于DC/DC变换模块,使用并联均流控制算法;在后级主电路中,针对输出电流和电压纹波较大,系统响应慢等问题,采用基于电流模式的双闭环控制算法对其进行控制,分别使用模糊控制器和遗传控制器对电压外环PID控制器和电流内环PID控制器参数进行优化,并完成了模糊控制器和遗传算法控制器的设计;最后搭建前级主电路和后级主电路仿真模型,对设计氢燃料电池车用DC/DC变换器的仿真性能进行研究。仿真结果表明:在前级主电路中加入输入滤波电感,可以有效地降低输入电流纹波;将多路DC/DC变换模块交错并联,可以有效地降低输出电流纹波和输出电压纹波,并联均流控制算法可以保证总功率平均分配于每路接通的DC/DC变换模块,并且控制系统能够快速反应,使前级主电路能持续稳定输出电压;使用模糊控制和遗传算法对传统PID控制器优化后,超调量减小,系统响应速度加快,输出电流纹波由5.25%降到0.71%,输出电压纹波0.86%降到0.43%。（3）完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器控制系统软件设计。根据氢燃料电池车用DC/DC变换器的控制系统软件设计方案,完成了其相关软件和监控界面的设计。软件设计主要包括主程序和中断程序的设计,中断程序主要包括DC/DC变换模块切换、并联均流控制、模糊PID控制、遗传PID控制和故障处理等子程序;监控界面设计主要包括主界面、参数设置界面、实时监测界面和故障显示界面。（4）完成了氢燃料电池车用DC/DC变换器控制系统试验研究。搭建氢燃料电池车用DC/DC变换器试验平台,使用直流源代替氢燃料电池作为氢燃料电池车用DC/DC变换器的输入,使用工控屏监测氢燃料电池车用DC/DC变换器运行过程。依据设计的试验平台,提出了氢燃料电池车用DC/DC变换器控制系统试验方法和步骤。依据试验步骤,进行了氢燃料电池车用DC/DC变换器控制系统的运行试验,试验结果验证了本文设计的氢燃料电池车用DC/DC变换器控制系统的可行性。本文研究的氢燃料电池车用DC/DC变换器的输出电压稳定,输入电流纹波、输出电压纹波和输出电流的纹波较低,能保持氢燃料电池工作可靠,满足汽车对氢燃料电池输出的需求,为氢燃料电池车的推广应用奠定一定的理论基础,具有一定的工程应用价值。
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