● 摘要
燃料电池汽车具有良好的发展前景。燃料电池发动机作为燃料电池汽车的主要动力源，具有节能与环保的优点，但是也有输出特性软、动态响应时间慢以及变工况适应性差的不足。DC/DC变换器可以弥补燃料电池发动机的上述缺点，实现对整车能量流动的控制，是燃料电池电动汽车关键零部件之一。深入研究大功率DC/DC变换器，对于燃料电池汽车的研究与开发具有重要的理论意义和工程应用价值。论文从主电路拓扑、电路模型与控制策略以及试验研究等方面对燃料电池车用大功率DC/DC变换器进行了系统深入的研究。 在主电路拓扑中，针对常规DC/DC变换器高电压大电流情况下主功率器件换流失效和过大的电流变化率（di/dt）和电压变化率（du/dt）等问题，提出了基于Boost&Buck电路的柔性换流电路拓扑，实现了主功率器件的柔性换流，减小了di/dt和du/dt。在此基础上利用无源谐振技术，进一步优化并提出了Boost&Buck DC/DC变换器柔性换流－软开关电路拓扑，不但实现了主功率器件的柔性换流，而且进一步减小了的主功率器件的di/dt和du/dt，使开关管工作在软开关状态下，提高了变换效率，解决了变换器的安全性和可靠性问题。 在电路模型与控制策略中，充分考虑输入源燃料电池以及负载（如动力蓄电池、电机等）特性对控制系统的影响，利用状态空间平均法建立了Boost&Buck单-双向DC/DC变换器稳态及动态低频小信号模型。在此基础上，提出了基于峰值电流控制的恒压、恒流及欠压复合闭环控制系统，建立了系统传递函数。提出了一种输入输出特性复合控制自动切换方法，实现了燃料电池电动汽车对DC/DC变换器复杂的外特性控制要求，并对控制系统稳定性、静动态特性以及系统参数对控制系统性能的影响进行了深入研究。 DC/DC变换器是整车能量分配控制的执行环节。本文对DC/DC变换器与两大动力源外特性匹配、DC/DC变换器恒压和恒流控制模式的优劣、变换效率以及DC/DC控制方法和动态性能在整车控制策略中的作用进行了研究，并对双向DC/DC变换器自控模式与受控模式的控制策略，以及双向DC/DC变换器在功率混合时对FC的冲击现象进行了讨论。 以TMS320LF2407A数字芯片为核心，设计了控制系统硬件平台总体方案和各功能模块的具体电路；在软件设计中，采用循环与中断相结合的总体结构，设计了数据采样与处理子程序、控制策略子程序、CAN通讯子程序等功能模块程序。 本文对单-双向DC/DC变换器性能测试试验、台架与车载试验进行了系统研究。在性能测试试验中，重点介绍与分析了电气性能试验、550小时可靠性试验、电磁兼容性试验以及振动试验。在台架试验中，重点介绍与分析了升压型主DC/DC变换器和双向DC/DC变换器与动力系统其它零部件的电气特性匹配。在车载试验中，重点介绍与分析了90kW降压型主DC/DC变换器在清能1号中的应用情况、50kW/20kW双向DC/DC变换器在清能3号中的应用情况。 所研制DC/DC变换器已装载于国内多台燃料电池汽车中，零故障累计运行六万多公里。研究结果为大功率DC/DC变换器在燃料电池汽车中的应用提供了有效的技术方案，为我国燃料电池汽车的研究开发及产业化奠定了一定的技术基础。