燃料电池车用大功率DC/DC变换器电磁兼容性研究

2009年12月18日 11:12    贾延安
关键词: 大功率 , 电磁兼容性 , 燃料电池 , 研究
  引言

  目前,燃料电池电动汽车(FCEV)成为我国汽车科技创新主攻方向。燃料电池电动汽车动力系统主要由燃料电池发动机,DC/DC变换器,蓄电池,电机控制器(变频器)及电机,整车控制器,数据采集系统及CAN总线组成,如图1所示。其中DC/DC变换器可以对燃料电池的输出进行控制及能量的传递与转换,成为燃料电池电动汽车关键零部件之一。在燃料电池电动汽车运行过程中,DC/DC变换器所处的电磁环境十分复杂,各种形式的电磁干扰很多,严重影响了DC/DC变换器的正常运行。因此,研究FCEV用DC/DC变换器的电磁兼容性对DC/DC变换器乃至燃料电池电动汽车的可靠运行具有重要意义。

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  大功率DC/DC变换器主要干扰源及电磁兼容设计

  FCEV用DC/DC变换器是大功率变换装置,其电磁兼容性在整个FCEV电磁环境中具有重要影响。FCEV用DC/DC变换器工作时对外界产生强大的电磁干扰,不仅对整个FCEV系统造成干扰,而且也会影响DC/DC变换器自身控制系统的正常工作。因此为了提高整个FCEV系统性能,必须对FCEV用DC/DC变换器的电磁兼容性进行研究,对其产生的电磁干扰(EMI)进行有效的抑制。

  大功率DC/DC变换器主要干扰源

  FCEV用DC/DC变换器的功率一般比较大,通常选择IGBT为功率开关管。功率开关管IGBT工作过程中产生高的du/dt和di/dt以及浪涌电流和尖峰电压[1],这是FCEV用大功率DC/DC变换器产生电磁干扰最根本的原因。另外功率开关管开通和关断瞬间,由于分布电感和分布电容的存在,电感电流容易发生高频振荡,这些因素都会产生强大的电磁干扰,这在FCEV用大功率DC/DC变换器中表现的尤为明显。这种电磁干扰严重影响整车控制器与CAN通信,导致CAN通讯频繁报错,无法正常通讯。CAN通讯受干扰后的传输波形如图2(a)所示。从图中可以明显看到,变换器开关噪音叠加在CAN通讯脉冲上,并且幅度很大。此外,严重的电磁干扰也会使大功率DC/DC变换器输出纹波过大,纹波过大直接影响大功率DC/DC变换器的性能[2]。图2(b)是用示波器采集到的变换器未经滤波处理的输出电压波形,从图中可以看到,输出电压上叠加了大量的开关噪音。

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  大功率DC/DC变换器电磁干扰的抑制措施

  目前,抑制大功率DC/DC变换器电磁干扰的主要措施有减小干扰源的电磁干扰强度、切断电磁干扰传播途径、敏感元器件合理布局以及屏蔽和信号接地设计等。

  ● 减小干扰源的电磁干扰强度

  大功率DC/DC变换器产生电磁干扰的主要原因是电压和电流的急剧变化,因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率(du/dt和di/dt)。最常用的方法就是增加吸收电路[3],吸收电路能够抑制电磁干扰,其基本原理就是开关管关断时为其提供旁路,吸收积蓄在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰的发生。软开关柔性换流技术是近年来研究的热点[4],在FCEV用大功率DC/DC变换器中,采用无源谐振软开关柔性换流技术,可以大大降低开关过程中的du/dt和di/dt,不仅减小了开关损耗,而且还大大降低了电磁干扰。另外通过优化功率开关管IGBT驱动参数,合理选择功率开关管IGBT的驱动电压和栅极驱动电阻,也可以降低大功率DC/DC变换器电磁干扰。

  ● 切断电磁干扰传输途径

  FCEV用大功率DC/DC变换器产生的电磁干扰以传导干扰为主。目前最常用的方法就是在DC/DC变换器输入和输出端加装滤波电容器。如图3,为了减小FCEV用大功率DC/DC变换器对CAN通讯的干扰,在变换器输入输出端加适量的接地电容,CAN通讯波形得到有效改善。

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  在FCEV用大功率DC/DC变换器中,输出电压或电流纹波是电源的重要指标。图4在大功率DC/DC变换器的输出端连接CLC滤波器后,变换器输出电压波形平稳,开关噪音减小,滤波效果十分明显。

  此外,在FCEV用大功率DC /DC变换器中开关管IGBT以十几千赫的频率开通和关断,电路中可能产生高次谐波电流,影响燃料电池的输出电压。因此DC/DC变换器输入和输出端通常并联电容(电解电容与无感电容并联)。无感电容可以滤除线路中由于谐振而产生的高频辐射干扰,而电解电容用来稳定燃料电池输出电压及降低辐射强度,同时减小DC/DC变换器输出电压纹波[5,6]。

  ● 敏感元器件合理布局

  FCEV用大功率DC/DC变换器中包含很多敏感元器件(比如电流霍尔传感器),这些敏感元器件对电磁干扰非常敏感。在FCEV用大功率DC/DC变换器主电路实际布局中,通常将敏感元器件布局在离功率开关管IGBT、续流二极管和高频变压器尽量远的地方、同时将信号线绞合并缩短布线距离,这样可以大大降低电流信号的噪音,提高系统的控制性能。同时,在FCEV用大功率DC/DC变换器布线方面,也要尽量将敏感信号线路远离功率开关管IGBT、续流二极管和高频变压器等强干扰源。同时,不能与高压交流信号和高频脉冲信号放置在一起,应保证适当的距离。

  ● 屏蔽和信号接地设计

  在燃料电池电动汽车中,大功率DC /DC变换器和其他控制电路、电机控制器等设备安置在一起,相互之间要辐射电磁能量,通常采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的屏蔽方式来抑制辐射干扰[7]。此外,信号接地[8]也可以消除外界或其他设备对FCEV用大功率DC/DC变换器的干扰,其关键是选择恰当的电路公共参考点以及接地线路的合理布局。

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  大功率DC/DC变换器控制电路板抗干扰设计

  控制电路是大功率DC/DC变换器很重要的组成部分之一,良好的电路板设计可以大大提高电路板的抗干扰性。

  大功率DC/DC变换器控制电路主要由电源模块、采样信号、通讯信号以及驱动模块组成,为防止相互间信号干扰,在设计电路的时候将其隔离,如图5所示。

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  在FCEV用大功率DC/DC变换器控制电路中,电源模块通常采用的是隔离型DC/DC模块,实现了电源输入端和输出端的电气隔离。采样信号隔离包括电流采样隔离和电压采样隔离。通讯信号隔离采用光电耦合器HCPL0600来实现了CAN总线输入输出信号的光电隔离。FCEV用DC/DC变换器输出功率较大,所以选用IGBT为功率开关管,而IGBT不同规格对应不同的驱动隔离方法。一般小功率IGBT采用TLP250驱动隔离,中等功率IGBT 驱动多采用EXB841/840系列驱动隔离模块,而大功率或超大功率IGBT可采用2SD315A模块来实现驱动隔离。实践证明,将各个功能模块隔离,可以大大降低控制电路各个模块之间的相互干扰,保证了信号传递的可靠性及信号处理的准确性。

  大功率DC/DC变换器软件程序抗干扰设计

  大功率DC/DC变换器通常采用DSP控制,软件程序的抗干扰性设计同样非常重要。大功率DC/DC变换器软件抗干扰主要从两个方面来考虑:DSP抗干扰技术和软件滤波抗干扰技术,前者主要是抵御因干扰造成的程序“跑飞”,后者主要是消除信号中的干扰以提高系统精度。

  DSP抗干扰技术

  在FCEV用大功率DC/DC变换器的运行中,一旦控制系统的DSP受干扰,将会导致非常严重的后果,甚至使整个燃料电池电动汽车动力系统瘫痪,所以在设计实际系统时,均考虑万一出现干扰时,DSP系统自身的抵御措施。

  为了提高DSP的抗干扰性,在新型DSP控制器(如TMS320LF2407A)内部集成了看门狗定时器模块(WDT)[9],用于程序运行监视,是一种软硬件结合的抗程序跑飞措施。WDT硬件主体是一个用于产生定时T的计数器或单稳触发器,该计数器或单稳触发器基本独立运行,其定时输出端接至 DSP的复位线,而其定时清零则由DSP软件控制。

  在正常情况下,程序启动WDT后,并在一定时时间T内将其清零复位,这样WDT的定时溢出就不会发生,如同睡眠一般不起任何作用。在受到干扰的异常情况下,CPU时序逻辑被破坏,程序执行混乱,不可能周期性地将WDT清零,这样当WDT的定时溢出时,其输出使DSP系统复位,CPU摆脱因一时干扰而陷入的瘫痪状态。

  软件滤波技术

  本文采用软件滤波技术对FCEV用大功率DC/DC变换器的采样数据进行处理。大功率DC/DC变换器将采集到的模拟量经过滤波后送至DSP控制器的A/D转换通道,通过软件编程启动A/D转换,将取得的采样值存入A/D内置寄存器中。

  DSP周围的干扰信号多呈毛刺形状,作用时间比较短。DSP对模拟量进行采样时,可对同一模拟量多次进行A/D转换,并将多次采样值暂存在内部数据区中。当多次采样结束后,采用数据平滑滤波算法和多次采样求均值的方法进行数据处理,这样可以增强软件程序抗干扰性,提高数据采样的准确度和精度。

  结语

  本文从大功率DC/DC变换器主要电磁干扰源及抑制措施、控制电路板的信号隔离以及软件程序的抗干扰设计三个方面对FCEV用大功率DC/DC变换器的电磁兼容性进行了研究,有效的解决了FCEV用大功率DC/DC变换器电磁干扰问题。采用上述电磁兼容设计的FCEV用大功率DC/DC变换器现已成功应用在由清华大学研制的燃料电池城市客车上,各项技术指标均满足整车使用要求,运行效果良好。

  参考文献:

  [1] Caponet M C, Profumo F, Jacobs J, et al. Solutions to Minimize Conducted EMI in Power Electronic Circuits, Sixteenth Annual IEEE[C], 2001,1(4-8):220-224

  [2] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 修订版. 北京:电子工业出版社, 2004

  [3] Mihalic F, Kos D. Reduced Conductive EMI in Switched-Mode DC–DC Power Converters Without EMI FiltersWM Versus Randomized PWM[J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2006,21(6)

  [4] Zhu H, Lai J S, Hefner, et al. Modeling-Based Examination of Conducted EMI Emissions from Hard- and Soft-Switching PWM Inverters[J]. Industry Application,IEEE Transactions on, 2001,37(5):1383-1393

  [5] 张逸成等. 电动汽车用直流-直流变换器中电磁干扰与抑制[J].同济大学学报. 2005,33(1)

  [6] 魏天义等. 电动汽车用DC/DC变换器的电磁干扰分析和电磁兼容设计[J].低压电器.2005(5)

  [7] 吕文红等. 电磁兼容性原理及应用教程[M]. 北京:清华大学出版社, 2008

  [8] 邹澎, 周晓萍. 电磁兼容原理、技术和应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2007

作者:北京航空航天大学机械工程及自动化学院 王雪华 张伟 杜青 齐铂金
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