A 版新能源汽车
收稿日期:2008-08-14
燃料电池汽车用DC /DC 变换器的运用和发展
陈玮山　程　伟　曹海平　(上海汽车集团股份有限公司)
【摘要】　在新能源汽车领域中,DC /DC 变换器广泛运用于能量交换、传输、转换以及其它各种基础设备。
如何迅速推出高质量、高可靠性、低成本的DC /DC 变换器电源以提高新能源汽车动力性能是一个值得关注的课题。文章对DC /DC 变换器的市场热点做了一些分析，并从多个侧面浅析了DC /DC 变换器市场的发展趋势。
【主题词】　燃料电池　汽车　变换器
1　DC /DC 变换器在燃料电池汽车上
的运用
燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的工作状
态总是在较大的范围内动态变化，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求，增加DC /DC 变换器可以起到快速调节功率的作用。在燃料电池汽车混合动力系统中，燃料电池和蓄电池是整车所需能量的来源,DC /DC 变换器是整个动力系统能量流动的重要环节。DC /DC 变换器是燃料电池和蓄电池之间的一个周期性通断的开关控制装置，具有调节电压功能。燃料电池的输出电压范围大于蓄电池的工作电压范围，而且燃料电池的输出特性偏软，而蓄电池偏硬，造成二者直接联接不匹配。DC /DC 变换器是为燃料电池服务，作为燃料电池系统电功率输出的直流变换器，把燃料电池系统的输出电压经过降压转换后再与蓄电池联接。燃料电池汽车在启动、加速时，蓄电池放电，供给电机电能，驱动电机加速。当燃料
电池汽车减速或匀速时，要求电机处在能量再生制动状态，给作为燃料电池的储能装置蓄电池充电，实现再生能量回收，如图1所示。
“八五”和“九五”期间我国都有计划地开展了电动汽车的研究,
已经将汽车工业列入支柱产
图1　DC /DC 变换器在燃料电池车上的应用
业重点发展，把电动汽车研究列入国家重大项目。“863”计划中，特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向。电动汽车一般可分为混合动力电动汽车、纯动力电动汽车和燃料电池电动汽车。清华大学、同济大学、北京航空航天大学等单位都参与了FCEV 相关技术的研发，并取得了相当的成绩。其中大功率DC /DC 变换器的研发，在国内也是新的课题，由于燃料电池输出电压变化范围比较宽，使得DC /DC 变换器设计难度增加，并且对可靠性、经济性、体积比功率、质量比功率、整车CAN 通讯控制等都有相当高的要求及规范。经过几年的努力50k W DC /DC 变换器有了很大的进步，控制方法实现了P WM 数字模拟混合控制，可靠性、动态响应等方面都有了相当的成绩，并且经历了实际公路测试。总体来说，从主电路拓扑到控制电路以及冷却系统及制造工艺，我国已经取得了相当的进展。
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3・　上海汽车　2008110
新能源汽车
2　车载DC/DC变换器的发展方向
为了满足燃料电池汽车对电源性能不断提高的要求,DC/DC变换器电源向高效率、高功率密度、低压大电流、低噪音、良好的动态特性、宽输入范围等方向发展，薄型化、模块化、标准化并以积木的方式进行组合的电路拓扑结构得到了日益广泛的应用。
2.1　高效率、高功率密度
随着汽车产品日趋小型化和轻量化，必然要求车上的零部件模块电源减小体积、提高功率密度，而提高效率是与之相辅相成的。在上海汽车新能源汽车事业部的“Plug2in燃料电池轿车”项目中,DC/DC变换器比功率密度达到了3.6k W/L，效率可超过95%。
之所以能达到这些指标，应归功于微电子技术的发展使大量高性能的新型器件涌现出来，从而使损耗降低。高效率可使功耗相对减少，工作温度降低，所需的输入功率减少，也提高了功率密度。
2.2　可靠性
可靠性现已成为电源设计的关键课题，特别在车载系统中，直接影响到汽车动力系统的设计成本。电源制造商必须考虑电源在不同温度、气流、湿度、振动条件下的性能。
热性能是影响电源寿命的重要因素，考察电源的热性能，在环境温度恶劣的情况下，必须通过测量电源的关键性发热元器件来验证冷却效率。
影响电源可靠性的因素很多，例如系统中的气流及其在电源上流动的方向、电源的输入电压及负载要求、系统需要的供电及温度变化状况等。其中温度的影响是至关重要的。电源的工作温度每上升10℃，故障率就会增大1倍。电源应具有能在较高温度下稳定工作的能力，从而保证系统的安全可靠。另外，为了提高电源的可靠性，必须使组件能在其额定最高结温的70%～80%下正常工作，半导体器件制造商要努力致力于提高器件的最高结温，以保证在工作条件不变的情况下使工作结温保持在较低的相对水平上提高可靠性。2.3　标准化工作
电源产品的走势日趋模块化、标准化，并以积木式结构组成分布式供电系统，封装式模块电源则以国际工业标准半砖或砖式结构为主，标准化的管脚对设计师和使用者都带来了即插即用的便利，使设计师能够方便地完成产品的设计，同时又有利于电源的升级。
现在，标准对电源产业的作用已越来越被重视，标准化可以缩短产品推向市场的周期并降低成本，但目前多数国内企业采用自己的企业标准生产，按照自己的测试规范测试，各个行业标准也存在着技术指标
落后、测试方法可操作性差等问题，从而导致了业界没有统一完善的设计、生产与检测标准。因此，为了推动模块电源的技术进步，提供国内企业生产质量控制的依据，制定科学的国家标准迫在眉睫。
3　车载电源的发展趋势
电力电子学的发展史实际上是一部围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、消除电力公害、减少电磁干扰和不懈研究电噪声的奋斗史。这也正是电力电子产业或汽车产业的发展趋势。具体到燃料电池汽车的要求可归纳为如下几点：进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；提高电源装置和系统的电磁兼容性(E MC)；降低电噪声；小型轻量化，尽量提高高频化、元件小型化和先进工艺水平。
上述要求表明，用于电力系统的电能变换设备、服务于人类环保的电源装置、适合信息社会需要的电源产品、薄2轻2超小型电源模块与装置以及高效节能低污染的“绿”电源产品将是21世纪车用的主流产品。国际上电力电子技术和产业的发展趋势值得中国电源行业认真研究。
此外，目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究，包括“电力电子系统的积木式集成技术”、“单级下相PFC”,“具有独立电源的多电平拓扑电路”、“具有超导储能的并联型UPS”、“I GCT大容量高压变流装置”、
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设计研究
图7　操纵臂残余应力局部放大图
设计要求在300N侧向力作用下手制动臂端部的变形小于20mm，残余变形小于3mm，不允许有断裂情况。计算结果表明产品符合设计要求。
4　结语
基于总成的非线性计算规模较大，时间较长，为了提高计算速度，尽量选用重要的部位定义可滑移的接触对。另外，大量的试算表明，在手制动臂总成材料非线性计算过程中，往往要判断单元的弹塑性状态。因此，采用线性单元可以提高计算的收敛速度，通过增加单元的密度，能够获得足够的精度，从计算规模、时间和精度的协调上来看，这比采用二次单元更为划算。
参考文献
燃料电池电动汽车
1　胡斌.现代接触动力学[M].南京：东南大学出版社, 2003.
2　薛守义.弹塑性力学[M].北京：中国建材工业出版社, 2005.
3　庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社,2005.
Abstract
The non-linear model of hand brake asse mbly is established.I n the lateral f orce conditi on,the re2 sidual defor mati on,re maining stress distributi on,and contact stress distributi on of the whole model are cal2 culated in considerati on of the influence of material non-linear and state non-linear.The non-linear finite ele ment analysis f or the hand brake asse mbly is valuable t o further research.
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“2700法接双电荷层电容器”、“多电平软开关技术”、“铁道供电系统的电流谐波抑制和功率因数改善”、“逆变器无线均流技术”、“电能质量综合调节器”、“电磁干扰的传播特性”、“直流侧谐波抑制的P WM控制策略”等。上述成果和研究对提高我国电力电子的技术水平，提升电源产品的技术含量，赶超世界先进水平和增强国际竞争能力等具有特别重要的意义。
参考文献
1　吴京文.DC_DC模块电源的热点问题和发展趋势[J].电子质量,2003.3.
Abstract
In the field of new energy vehicle,DC/DC converter is w idely used in energy exchange,trans2 fer,conversion and various other fundam ental e2 quipm ents.How to rap idly introduce high-quali2 ty,high reliability and low cost DC/DC converter power t o raise p roduct competitiveness is concerned in the field of new energy vehicle.The m arket hotspot and trend of DC/DC converter is ana2 lyzed.