汽车研发:DC/DC转换器介绍及其应用与研究

一、前言

DC/DC转换器,作为电动汽动力系统中很重要的一部分,它的一类重要功用是为动力转向系统,空调以及其他辅助设备提供所需的电力。另一类,是出现在复合电源系统中,与超级电容串联,起到调节电源输出,稳定母线电压的作用。

DC/DC在电动汽车电气系统中的位置,如下图所示。它的电能来自于动力电池包,去处是给车载用电器供电。

与超级电容配合使用的DC/DC,在整车电源中的位置如下图所示,它可能出现在图(b)、(c)、(d)中所示位置上,而(b)是应用较多的一种形式。

二、DC/DC的分类和工作原理

在讲分类之前,先了解一下电气隔离,是将电源与用电回路作电气上的隔离,即将用电的分支电路与整个电气系统隔离,使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统,以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。实现电气隔离以后,两个电路之间没有电气上的直接联系。即两个电路之间是相互绝缘的。同时还要保证两个电路维持能量传输的关系。电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰,降低噪声。了解清楚了电气隔离,我们就来看看DC/DC的分类吧!

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DC/DC分类

1)非隔离双向DC/DC

结构比较简单,每个部件都是直接相连,没有额外的能量损失,工作效率比较髙。对升压侧的电容要求比较高。主要的非隔离DC/DC电路结构有双向半桥boost-buck电路,双向buck-boost电路,双向buck电路,双向Zate-Sepic电路,如下图所示。

2)隔离型双向DC/DC

在非隔离型双向DC/DC转换器的基础上加上一个高频变压器就构成了隔离型双向DC/DC转换器,高频变压器两侧的电路拓扑可以是全桥式、半桥式、推挽式等等。这几种隔离型的双向DC/DC转换器,采用了更多的功率开关,电压变比大,带电气隔离等优点。但是这类DC/DC转换器结构复杂,成本也相对较高,转换器的损耗高,低频时会导致隔离变压器铁芯饱和,损耗会进一步增加。因此,非隔离型双向DC/DC转换器比隔离型在电动汽车上运用更具有优势。

当能量由高压侧流向低压侧时,双向DC/DC转换器工作在BUCK模式;能量由低压侧流向高压侧时,双向DC/DC转换器工作在BOOST工作模式。

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DC/DC系统的组成

1)主电路

又叫做功率模块,是整个DC/DC的主体。典型的全桥型DC/DC转换器主电路拓扑如下图所示:

上图中,Vin为输入电压,需要通过DC/DC回路,在输出端得到一个需要的输出电压。原边开关电路,将输入电流调制成矩形波,这个过程主要依靠控制器调制特定占空比的PWM波,用以驱动四个开关管按照既定的顺序和时间开闭,从而实现电流逆变过程。

原边输入电压可以通过占空比调节,占空比增加输出电压也增加,占空比减小输出电压减小。频率则可以通过调节开关频率调节。T1为变压器,变比n。变压器既可以实现电气隔离,又可以起到电压调节的作用。一个固定的原边线圈匝数,副边改变匝数,即可得到不同的电压等级。变压器的输入,是经过左侧全桥电路逆变得到的脉冲矩形波,传递到变压器的副边,得到的是另一个电压幅值的交流正弦波。经过DR1和DR2整流以后,再经由Cf和Rl滤波处理,得到直流电,提供给输出端。

2)驱动模块

对于控制芯片输出的四路PWM驱动信号来说,并不能直接驱动四个功率开关管。所以,一般来说,开关电源是需要配套一个驱动电路来驱动功率开关管。驱动电路种类很多,主要有以下三种:

A.  直接耦合型

控制芯片的每一路输出PWM驱动信号经过由两个三极管组成的放大电路来驱动功率开关管。此种方法无法实现控制部分与主电路的隔离。

B. 脉冲变压器耦合型驱动电路

此电路是在直接耦合型的基础上加上了一个脉冲变压器,实现了控制电路与主电路的隔离。但是这种结构的缺点是,涉及到变压器的设计、制作等方面,比较复杂。

C. 驱动芯片的驱动电路

为了更加方便地来驱动功率开关管,很多公司研制出驱动芯片,驱动芯片可以输出较大的功率,驱动开关管,而且随着芯片的小型化发展,现在的驱动芯片体积非常小,有各种封装形式。利用驱动芯片对功率开关管驱动,这种方法比较简单,但是控制电路与主电路仍然没有实现隔离。

3)控制模块

主电路的反馈主要有以下三种控制模式:

A. 电压控制模式

属于电压反馈,利用输出电压进行校正,是单环反馈模式,输出电压采样与输入基准电压比较,得到的输出信号与一锯齿波电压比较,输出PWM波信号。电压控制模式设计以和运用都比较简单,但是电压控制模式没有对输出电流进行控制,有一定的误差存在,并且输出电压先经过电感以及电容的滤波,使得动态响应比较差。

B. 峰值电流控制模式

峰值电流控制模式与电压控制模式的区别在于,峰值电流控制模式中,把电压控制模式的那一路锯齿波形,转换成了电感的瞬时电流与一个小锯齿波的叠加。但是电感的瞬时电流并不能表示平均电流的情况。

C. 平均电流控制模式

属于双环控制方式,电压环的输出信号作为基准电流与电感电流的反馈信号比较。设置误差放大器,可以平均化输入电流的一些高频分量,输出的经过平均化处理的电流,再与芯片产生的锯齿波进行比较,输出合适的PWM波形。电感电流和电容电压因此需要对两个变量都要进行PID整定,一个典型的控制流程如下图所示。控制模块是由两个PID控制器组成,分别是电压控制控制外环和电流控制内环,在流程图中给出一个参考电压,设计合理的参数,就可以很快速的达到控制系统的目的。

三、DC/DC命名及要求

DC/DC命名有其固定的命名方式,按照命名规则命名就不会与其它零件重复,让每个零件都有其唯一的名称。

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DC/DC命名

DC/DC转换器的型号命名如下图所示:

示例1:

ZB006-240-024A:表示直流一直流电源转换器,额定输出功率为6kW,额定输人电压为240V,输出电压为24V,单向。

示例2:

ZB100-336-360B:表示直流一直流电源转换器,额定输出功率为100kW,额定输人(输出)电压为336V、额定输出(输人)电压为360V,双向。

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DC/DC主要参数要求

1)温度

DC/DC转换器的工作环境温度为-20℃~+60℃,贮存温度为-30℃~+70℃。

2)湿度

DC/DC转换器的工作环境相对湿度为5%~95%(不结露)。

3)噪声

DC/DC转换器及其冷却系统的工作噪声应不大于70dBA。

4)绝缘性能

DC/DC转换器中带电电路与地(外壳)之间的绝缘电阻,在环境温度为23℃±2℃和相对湿度为80%~90%时,不小于500n/V。

5)耐电压性能

接线端子对地(外壳)和彼此无电连接的电路之间的介电强度,应能耐受2000V(DC)(或额定电压+1500V)的试验电压1min。

6)额定功率

在规定的环境条件、额定电压和连续工作情况下,DC/DC转换器达到稳定温升后可输出的最大功率应大于或等于铭牌中标出的额定功率值。

7)峰值输出功率及持续时间

DC/DC转换器的过载输出功率不小于其额定功率1.2倍。按照6.11所述的方法测量出的峰值持续运行时间,应不小于6min。

8)可靠性

在额定负载或按照设定的循环工况运行条件下,DC/DC转换器无故障工作时间应不小于3000h。

9)控制精度

对于恒流输出特性的DC/DC转换器在额定输出电流下的相对误差不大于2%,对于恒压输出特性的DC/DC转换器在额定输出电压下的相对误差不大于1%。

四、双向DC/DC在电动车中的应用

目前,大多数的DC/DC转换器都是单向工作的,即通过转换器的能量流动的方向只能是单向的。然而,对于需要能量双向流动的场合,例如超容量电容器在电动汽车中的应用,如果仍然使用单向DC/DC转换器,则需要将两个单向DC/DC转换器反方向并联使用,这样的做法虽然可以达到能量双向流动的目的,但是总体电路会变得非常复杂,双向DC/DC转换器就是可以完成这种功能的窟流转换器。

双向DC/DC转换器是指在保持交换器两端的直流电压极性不变的情况下,根据实际需要完成能量双向传输的直流转换器。双向DC/DC转换器可以非常方便地实现能量的双向传输,使用的电力电子器件数目少,具有效率高、体积小和成本低等优势。由于双向DC/DC转换器具有以上优点,使其在电动汽车的发展过程中得到了广泛的应用。

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直流电动机驱动系统

电动汽车发展初期,因为直流电动机结构简单,技术比较成熟,具有优良的电磁转矩特性,所以直流电动机得到了广泛的应用。对于采用直流电动机的电动汽车而言,下图所示为常见的利用双向DC/DC转换器的驱动系统结构图。

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交流电动机驱动系统

在之前的电动机使用中,直流电动机存在价格高、体积和质量大、维护困难等缺点,因而,电动汽车用电动机正在逐渐由直流向交流方向发展,目前,直流电动机基本上已经被交流电动机、永磁电动机所取代。在这些应用场合,双向DC/DC转换器可以调节逆变器的输入电压,并且可以实现再生回馈制动。下图所示为这种驱动系统的结构圈。

电动汽车用电动机是一些具有较低输入感抗的交流电动机,由于它具有高功率密度、低转动惯量、转动平滑以及低成本等优点,因此得到了越来越多的应用。对于这种交流电动机如果仍然采用通常的固定直流母线电压脉宽调制的驱动方式,较低的输入感抗必然会导致电动机电流波形中出现较大的纹波,同时会造成很大的铁损耗和开关损耗,使用双向DC/DC转换器就可以很好地解决这个问题。

当采用这类电动机直接驱动电动汽车车轮时,由于电动机电流波形的纹波是与加在电动机输入端子上电压的瞬时值和电动机反电动势之间的电压差值成正比的,因此利用双向DC/DC转换器可以根据电动机的转速来不断调整逆变器的直流侧输入电压,从而减小电动机电流波形的纹波。另外,通过控制反向制动电流,双向DC/DC转换器可以将机械能回馈到蓄电池组或是一一个附加的超容量电容器中,从而达到提高接车效率的目的。

电动汽车车载电动机是无刷直流电动机(BDCM),在基速之上为了实现恒功率运行可以采用弱磁控制方式,然而,弱磁控制会导致电动机效率的下降以及增加电动机转子设计的复杂性。

因而提出在基速之上可以通过直流升压转换器将蓄电池组的直流电压升高以扩大无刷直流电动机的速度范围。电动机的电压升高,电流随之下降,恒功率运行方式得以实现。由于回馈制动的需要,因此也必须采用双向DC/DC转换器。

四、大功率DC/DC在电动车的应用

大功率的DC/DC在汽车电气化系统里面起到了一个关键的作用,但也与逆变器这种和车辆安全有着直接关联的设备有着本质的区别,如下表中不同产品的附加值,与是否涉及核心的车辆安全有直接的关系,更会影响到整车企业是否想把部件做成in-house的部件。汽车上所涉及的DC/DC主要有三种类型。

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高低压转换器(辅助功率模块)

此模块的主要作用是取代传统的12V发电机。如下图所示,强混以上的系统之中,发动机输出的动力直接驱动高压继电器对高压电池系统进行补电,传统的12V用电负荷,则完全依靠这个DC/DC变压器供给,因此传统的用电负荷补给也就落实到了这里。此类器件,几乎所有的新能源汽车都会应用,功率范围从1KW~2.2KW,也是未来48V系统的一个核心元件,将对此器件进行展开。

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12V电压稳定器

如下图所示,12V电压稳定器主要是用在部分Start-Stop系统(如果有可能,后续对Start-Stop将要做个分类,目前在欧洲SS系统已经应用非常广泛了。在启动过程中,如果采用某种架构用来防止电压波动对一些敏感器件产生影响。这里的敏感负载,主要包括用户可见的用电负载,如内饰灯和收音机等。电压稳压器的功率等级,随着敏感用电器的负荷而定,一般为200~400W;总体而言,此类器件功率等级较小,成本要求较为苛刻,欧洲的零部件厂家切入较早,这类器件的技术已经非常成熟。

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高压升压器

这种高压升压器是一种选择性的架构,主要是某些整车企业,为了提高动力系统的效率,选择用一个Boost的升压器来提高逆变器输入的总线电压。因此,这个部件集成在逆变器里面,作为动力总成的一部分。此类器件,由于在特定的部件条件下,通过系统设计优化出来的一个附带产物,并不是每个整车企业都需要选择,特别是随着锂电化带来的系统电压等级的升高,这个器件对于普通的零配件企业而言不是很好的机会。

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高低压转换器性能评价技术指标

DC/DC的部件主要有以下的技术指标,如下表所示(以Denso及TDK为例):

1)功率等级

不同等级的车辆,往往在配置上存在非常大的差异,导致14V系统的动态功率需求变化。按照模块化开发的理念,选择不同的功率等级,来匹配不同等级的车辆,经过电气平衡之后,就可以覆盖很多的车型。这算是目前较为流行的做法。

2)效率

对这个部件而言,效率是个极端重视的目标。它既决定了整个部件的散热方式,也决定了整个部件的寿命。评价效率的时候,往往采用与输出电流对应的效率曲线来表征,单个点上的最大效率其实是个很有欺骗性的数据。

3)容积&重量&功率密度

部件一体化的设计,目前对于部件的体积和重量都有着苛刻的要求,从上面的图形来看,在这两个指标上,演进是较为迅速的。

4)散热方式

同大部分功率电子部件一样,在2KW左右的等级上,有主动风冷和液冷两种方式。前者对于系统风道有要求,后者对于冷却液管路的排布有着限制。即使开发出来可用的部件,在整车集成的时候,散热也是一个很大的问题点。

5)成本

目前来说,这个部件的成本要求是非常严格的,所以全桥这样的拓扑结构所需要的MOSFET较多,也会被人放弃掉。

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DC/DC设计瓶颈

对于这个部件来说,先进的拓扑结构其实并不是很高的壁垒,对于安全性要求较高的电动汽车来说,隔离设计是必须的。其设计难点为:

1)热设计

对DC/DC需要进行良好的热设计,对液冷需要设计较好的流道。

2)EMC设计

需要设计输入滤波器以及输出滤波器,以确保EMC能过关,这点在汽车上应用尤其关键。

3)效率

在不同的输入电压条件下,达到较高的效率曲线。

4)保护功能设计

设计各种保护功能,以匹配整个输入电压曲线,以及12V保护系统要求。

5)可制造性要求

至少要可能达到半自动化的要求,因此对于整个板级的设计以及功率电路的连接都比较关键。如果电气化的量能够按照混合动力这么发展,未来制程的要求就成为筛选供应商的一个重要的条件。

五、结语

电动汽车在近年来发展迅速,然而在现有的技术条件下,动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈,其作为车载能源大都有一个缺点,即输出电压电流特性偏软,在干扰下容易工作不稳定,所以DC/DC的深入研究显得尤为重要。

为了使动力电池和逆变器能够安全可靠的工作,要求DC/DC具有较高的稳定性和可靠性,从而优化电动机控制,提高电动汽车整体的效率和性能,加快电动汽车产业化的进程。

文章转自:汽车大漫谈

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