摘 要

燃料电池技术和电力电子技术的迅速发展使燃料电池电动汽车得到了显著的发展。燃料电池具有高密度电流输出能力、清洁发电、高效率运行等诸多优点。但燃料电池不同于一般的化学电池，燃料电池输出特性很软，在负载变化的情况下，输出电压波动较大，针对解决燃料电池软特性问题以及为了满足变换器低压直流输入、大升压比、宽输入、高效率的设计要求，本文采用了四相交错结构和PID控制PWM输出算法。

本文主要目的是设计一个50kW车用燃料电池升压DCDC变换器，在燃料电池侧的输入直流电压为200-300V，而直流母线侧则要求输出450-650V可调，满足额定功率50kW；最后要求实现实现恒流、恒压和恒功率输出功能。

本文主要内容是开展控制算法及软件结构总体方案设计，利用了TMS320F28355芯片的功能，实现了对系统输入输出电流和电压的检测，以及温度的反馈，控制系统主程序设计的内容便是PID算法控制和PWM波形占空比的设计，其中IGBT驱动控制软件和四相移相算法设计也利用到了DSP芯片的功能，最后便是四相移相控制算法优化设计和CAN通信软件设计等。

关键词：燃料电池；Boost；PID；PWM；四相交错

Abstract

With the rapid development of fuel cell technology and power electronics technology, fuel cell electric vehicles have been significantly developed. Fuel cell has many advantages such as high density current output, clean power generation, high efficiency operation and so on. But the fuel cell is different from the ordinary chemical battery. The output characteristic of the fuel cell is very soft. The output voltage fluctuates greatly when the load is changed. In order to solve the problem of the soft characteristics of the fuel cell, and to meet the design requirements of the DC input of the converter, the big boost ratio, the wide input and the high efficiency, the paper uses four. The intersecting error structure and the PID control PWM output algorithm. The main purpose of this paper is to design a 50kW fuel cell booster DCDC converter. The input DC voltage of the fuel cell side is 200-300V, while the DC bus side requires the output 450-650V to be adjusted to meet the rated power 50kW. Finally, the output function of constant current, constant voltage and constant power rate is realized.

The main content of this paper is to carry out the control algorithm and the overall program design of the software structure. The function of TMS320F28355 chip is used to detect the input and output current and voltage of the system, as well as the feedback of temperature. The content of the main program design of the control system is the design of the PID algorithm control and the duty ratio of the PWM waveform, in which the IGBT drive is driven. The design of dynamic control software and four phase phase shift algorithm also takes advantage of the function of DSP chip. Finally, it is the optimization design of the four phase phase shift control algorithm and the design of the CAN communication software..

Keywords: fuel cell; Boost; PID; PWM; four-phase interleaved technique

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外发展综述 1

1.2.1理论的渊源及演进过程 1

1.2.2国外有关研究的综述 3

1.2.3国内相关研究的综述 4

1.3 设计目的及意义 4

1.3.1 理论意义 4

1.3.2 现实意义 5

第2章 总体方案设计 6

2.1 设计目标和要求 6

2.2 硬件方案分析 6

2.2 软件总体方案设计 7

2.2.1 DSP控制框图 8

2.2.2 中断服务设计 8

2.2.3 控制软件设计 9

2.3 控制算法设计 11

2.3.1 PID控制算法 11

2.3.2 PWM中断程序 12

2.3.3 电压电流双闭环控制算法 13

第3章 软件设计 15

3.1 四相交错控制算法设计 15

3.1.1 四相交错Boost电路模型 15

3.1.2 四相交错并联控制算法 16

3.2 IGBT驱动控制和四相移相控制算法 17

3.3 CAN通信软件设计 18

3.3.1 CAN总线通信简介 18

3.3.2 CAN通信程序设计 19

第4章 程序仿真 21

4.1 设计模型 21

4.2 主程序仿真 22

4.3 IGBT开关仿真 24

4.4 PID控制PWM输出 26

第5章 总结与展望 27

5.1 工作总结 27

5.2 展望 28

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景

现代世界的运输业主要依靠化石燃料。大量使用化石燃料是造成全球变暖、空气污染和臭氧层损耗的原因。此外，过量使用化石燃料是造成地下石油资源减少的原因。美国能源信息管理局（EIA）的统计数据显示，2014年交通运输业占全球能源消耗总量的55%，二氧化碳排放量的30.9%。如果运输业不采用其他解决方案，这种趋势将持续下去^[1]。

燃料电池作为车辆使用的绿色能源最有前景的候选之一已经受到了相当多的关注。燃料电池在不同的工作条件下电压变化范围很大。而且，在机动车传动控制系统中燃料电池的输出功率应该依照某种能量管理策略进行控制。由于这些原因,在燃料电池汽车应用中燃料电池必须通过DC/DC变换器的方式和其他部件进行连接。本文提出了一种适用于燃料电池汽车应用的升压/降压变换器，当燃料电池电压低于或高于高压直流母线的输出电压时，它能有效地在升压或降压模式下工作。为了减少电流纹波，将交错电路结构用于所提议的变换器。采用数字信号处理器实现燃料电池电流控制的比例积分调节器，提高了变换器的可靠性和灵活性。采用平均电流法实现了升压型和降压型的平滑过渡。给出了该变换器的工作原理和理论分析。提供了原型的实验结果，以评估该方案的性能^[2]。

燃料电池（FC）在车辆技术中得到了广泛的应用。通常情况下，燃料电池混合动力汽车（FCHEV）由燃料电池、蓄电池或超级电容器（UC）作为电源。功率变换器集成到电源形成混合燃料电池系统。这有助于弥补单个电源的缺点。除了电源本身的技术效率，燃料电池混合动力汽车的性能主要由电力电子器件和相关的控制器的效率所决定。

1.2 国内外发展综述

1.2.1理论的渊源及演进过程

燃料电池汽车（FCV）或燃料电池电动汽车（FCEV）是一种电动车辆，其使用燃料电池，而不是电池，或与电池或超级电容器组合，为其车载电机供电。汽车中的燃料电池发电，通常使用空气中的氧气和压缩的氢气。大多数燃料电池汽车被归类为排放水和热的零排放车辆。与内燃车辆相比，氢车辆集中在氢气生产现场的污染物，其中氢气通常来自改造天然气。运输和储存氢气也会产生污染物。