基于新能源汽車(chē)用高低壓隔離雙向DC-DC變換器

　　杭孟荀 沙文瀚 方磊 陳士剛

　?。ㄆ嫒鹦履茉雌?chē)技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002)

　　摘要：介紹了一種新能源汽車(chē)用多功能高低壓隔離雙向DC-DC變換器及應用方案?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/移相全橋">移相全橋拓撲，通過(guò)數字DSP芯片控制實(shí)現高低壓電源能量的雙向傳遞，較傳統新能源汽車(chē)DC-DC成本無(wú)增加基礎上新增應急電源、高壓回路預充電、多余電能轉換高壓回路再利用等功能，該方案降低了系統成本、提升整車(chē)續航且大大提升新能源汽車(chē)的安全性、維護便捷性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞：雙向DC-DC；移相全橋；預充電功能；應急電源；輔助增程

　　0 引言

　　隨著(zhù)新能源汽車(chē)的廣泛應用，新能源汽車(chē)的行駛安全性越來(lái)越受到關(guān)注和重視，尤其是電動(dòng)汽車(chē)為純電動(dòng)驅動(dòng)，一旦高壓電池或者高壓供電回路故障則導致整車(chē)失去動(dòng)力，如發(fā)生在高速公路或爬坡等工況下易造成危險事件發(fā)生，將危及車(chē)輛和車(chē)內乘員的安全。另外現有新能源汽車(chē)預充電電路由預充繼電器和預充電阻組成，存在成本高、易損壞、故障診斷及維修繁瑣等問(wèn)題；另外，目前一些車(chē)輛（例如：豐田普銳斯、奧迪A8L、大眾輝騰等）配備太陽(yáng)能天窗主要做車(chē)內通風(fēng)發(fā)電用，用途較為簡(jiǎn)單。最后現有新能源汽車(chē)長(cháng)時(shí)間不用會(huì )導致小蓄電池虧電無(wú)法啟動(dòng)問(wèn)題，甚至小電池虧電嚴重導致小蓄電池損壞的情況出現。

　　針對以上問(wèn)題，本文提供了一種雙向DC-DC作為能量雙向傳遞的工具，根據不同工況采取不同的控制策略，不僅具有傳統DC-DC將高壓動(dòng)力電池高壓電轉為低壓電給車(chē)載低壓電器供電（例如：大燈、大屏、雨刮等），而且新增了將小蓄電池低壓電轉為高壓電功能，同時(shí)實(shí)現高低壓電之間的電氣隔離。新增的升壓功能是解決傳統新能源汽車(chē)以上問(wèn)題主要操作。其一可以在動(dòng)力電池或高壓回路（例如：預充電路、高壓主繼電器、保險絲、線(xiàn)纜等）故障時(shí)將小蓄電池低壓電隔離升壓后供驅動(dòng)系統做應急電源用，其二升壓功能還具備替代傳統預充電電路實(shí)現新能源汽車(chē)高壓回路預充功能（DC-DC帶有診斷保護電路，對于負載異常短路等情況可以快速有效保護，提高系統的可靠性），其三帶有太陽(yáng)能電池板的新能源汽車(chē)可將其發(fā)電的多余能量升壓傳遞給高壓系統使用。這三個(gè)方面問(wèn)題的解決，有效降低了系統成本，且提升整車(chē)續航、安全性、可靠性及可維護性。

　　1 系統方案

　　本文介紹的雙向DC-DC工作主要有四種功能模式構成，其應用的系統電氣框圖如圖1所示，其功能詳細介紹如下。

　　預充電功能：雙向DC-DC接收VCU的指令切換到升壓模式，雙向DC-DC恒流給高壓零部件內的大電容進(jìn)行預充，同時(shí)雙向DC-DC檢測高壓側電壓，當規定時(shí)間內電壓上升到V2值時(shí)說(shuō)明預充完成，雙向DC-DC停止升壓輸出并通過(guò)CAN上報預充完成信息。如果規定的時(shí)間內高壓側電壓小于電壓V1（V1<V2）或預充電流大于過(guò)流保護值則停止輸出并上報預充故障信息，以便維修人員進(jìn)行故障排查。

　　低壓系統供電功能：雙向DC-DC先完成其高壓側預充并將預充完成信息上傳到CAN上，BMS檢測到完成信息后閉合主正極繼電器和主負極繼電器，之后BMS將閉合成功信息發(fā)給VCU，VCU再發(fā)送降壓模式指令給雙向DC-DC，雙向DC-DC開(kāi)始降壓輸出電壓給低壓側供電。

　　防低壓蓄電池虧電功能：VCU通過(guò)保險絲連接到低壓電池上，小電池上的電壓給VCU供電同時(shí)VCU檢測小電池上的電壓，當電壓低于V3值時(shí)VCU喚醒BMS和雙向DC-DC，雙向DC-DC先完成預充，之后主正、負繼電器閉合，最后VCU發(fā)送指令給雙向DC-DC啟動(dòng)降壓模式給小蓄電池充電，同時(shí)VCU檢測小蓄電池電壓，當電壓達到V4（V3<V4）時(shí)，VCU發(fā)送指令給雙向DC-DC，讓其停止工作并進(jìn)入休眠狀態(tài)。此功能還有益于延長(cháng)低壓蓄電池的使用壽命。

　　輔助增程功能：太陽(yáng)能板通過(guò)另外一個(gè)DC-DC并采用MPPT算法獲得更多的太陽(yáng)能輸出，同時(shí)VCU檢測小電池上的電壓，當電壓大于V7時(shí)VCU喚醒雙向DC-DC和BMS給動(dòng)力電池和/或高壓零部件供電，起到輔助增加續航里程的能力。

　　應急電源功能： 當動(dòng)力電池故障導致主正和主負繼電器斷開(kāi)后，VCU發(fā)送指令給雙向DC-DC使其將低壓蓄電池電升壓后供高壓側主驅動(dòng)系統使用，同時(shí)VCU控制其他高壓零部件停止工作且限制主驅動(dòng)系統的輸出功率，以便車(chē)輛應急行駛一段距離。

　　如上圖2所示，更清晰地說(shuō)明了能量在各零部件之間的傳輸關(guān)系。本文設計一款峰值功率1.5 kW的雙向DC-DC，其具體工作原理介紹如下。

　　2 雙向DC-DC變換器工作原理

　　雙向DC-DC的主電路圖如下圖3所示，變壓器原邊由QA、QB、QC、QD全橋開(kāi)關(guān)管組成，變壓器副邊為推挽結構。正向降壓功能是通過(guò)全橋移相控制一個(gè)橋壁的上管和另外一個(gè)橋壁的下管同時(shí)開(kāi)通交疊的量來(lái)控制輸出能量，同時(shí)利用全橋開(kāi)關(guān)管的寄生電容和原邊電感L3之間諧振實(shí)現全橋開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。副邊MOSFET管QF、QE配合原邊開(kāi)關(guān)工作，在低壓大電流輸出時(shí)實(shí)現同步整流，避免了常規二極管導通壓降大且損耗較大問(wèn)題。反向升壓功能時(shí)變壓器副邊為能量輸入側，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管QF、QE同時(shí)關(guān)閉時(shí)電感L4充電且變壓器原邊無(wú)電壓輸出，若其中一個(gè)MOSFET打開(kāi)時(shí)變壓原邊感應電壓輸出能量。

　　2.1正向降壓模式及同步整流工作原理

　　MOSFT管QA和QB輸出占空比50%且相位差為180度的PWM波，QC和QD同樣輸出占空比50%且相位差為180度的PWM波，其中QA與QB之間插入死區時(shí)間，以避免兩開(kāi)關(guān)管直通短路，QC和QD同理插入死區時(shí)間，這里為了便于分析忽略死區時(shí)間的影響。

　　如圖4所示，當小負載輸出時(shí)考慮到MOSFET寄生二極管導通損耗比同步整流損耗小，所以此時(shí)副邊兩個(gè)MOSFET驅動(dòng)信號一直給低電平。當負載變大時(shí)考慮到同步整流可以大大降低損耗，所以此時(shí)副邊MOSFET在全橋兩橋壁上下管PWM信號重疊區導通。

　　2.2 升壓模式工作原理

　　升壓模式且在輕載下，原邊開(kāi)關(guān)關(guān)閉狀態(tài)，則原邊能量通過(guò)全橋MOSFET內部的寄生二極管組成全橋被動(dòng)整流電路輸出。在重載條件下需要配合副邊開(kāi)關(guān)管控制原邊開(kāi)關(guān)管工作實(shí)現原邊開(kāi)關(guān)管同步整流功能，降低重載下器件損耗，提高了系統效率。

　　在t0-t1時(shí)間內，QE和QF同時(shí)開(kāi)通，則變壓器低壓側繞組和電感L4同時(shí)進(jìn)行儲能充電。

　　在t1-t2時(shí)間內，QF關(guān)斷后低壓側儲能通過(guò)高壓側QB和QC輸出。

　　在t2-t3時(shí)間內與t0-t1時(shí)間內工作原理是相同的，另外t3-t4時(shí)間內的工作類(lèi)似于t1-t2，不過(guò)這里是QE在t3處關(guān)閉且能量通過(guò)QA和QD輸出到高壓側。

　　3 仿真驗證

　　通過(guò)仿真測量QA驅動(dòng)信號及QA開(kāi)關(guān)管兩端電壓，考慮到提高兩個(gè)波形對比效果，將QA電壓縮小400倍，對比如下圖仿真波形所示?？梢?jiàn)在QA兩側電壓降為0后驅動(dòng)信號變?yōu)楦唠娖介_(kāi)通QA，實(shí)現了ZVS零電壓開(kāi)通，其他原邊開(kāi)關(guān)管同理實(shí)現ZVS開(kāi)通。另外從圖7可以看出副邊開(kāi)關(guān)管實(shí)現了ZCS零電流開(kāi)通，變壓器原邊開(kāi)關(guān)管和副邊開(kāi)關(guān)管分別實(shí)現了ZVS和ZCS軟開(kāi)關(guān)，從而降低了降壓模式下的開(kāi)關(guān)損耗。

　　傳統預充為預充電阻，這里預充電阻阻值為60歐姆，預充電容主要為驅動(dòng)電機控制器支持電容和母線(xiàn)上的其他電容，其容值一共為380uf，動(dòng)力電池電壓為300V。以預充電電壓升到電池電壓的98%時(shí)作為完成預充電條件，DC-DC以額定電壓5A恒流預充，對比兩種預充方式下預充時(shí)間對比如下圖8所示，可見(jiàn)DC-DC恒流預充時(shí)間更短。

　　移相全橋降壓模式使用峰值電流控制模式并帶有軟啟動(dòng)功能，降壓穩壓輸出14V，其輸出電壓紋波峰峰值小于47mV，則紋波系數為0.34%（見(jiàn)公式1）且輸出平均電壓為14.0014V，則電壓精度滿(mǎn)足GB/T 24347電壓精度1%要求。另外仿真在0.004s時(shí)突加600W負載，輸出電壓受沖擊電壓跌落為13.717V，其電壓負載調整率為2%（見(jiàn)公式2），另外動(dòng)態(tài)響應時(shí)間僅為1ms，詳細波形見(jiàn)圖9所示。

　　4 結語(yǔ)

　　本文基于移相全橋拓撲實(shí)現能量的高低壓隔離且雙向傳遞，其升壓預充電功能解決了傳統預充電電路預充電時(shí)間長(cháng)且成本貴、維修復雜等問(wèn)題，另外在動(dòng)力電池故障高壓切斷等導致失去動(dòng)力情況下，升壓功能可以做應急電源用，從而解決了一些危險工況的出現并提高了整車(chē)的安全性。升壓功能還可以應用到帶有太陽(yáng)能電池板的新能源汽車(chē)上，其將太陽(yáng)能電池板低壓電隔離升壓為高壓電傳遞給高壓系統用，起到輔助增程功能。其降壓功能為新能源汽車(chē)低壓系統供電并帶有防低壓蓄電池虧電功能，此功能提高了用戶(hù)使用的便捷性并延長(cháng)了蓄電池的壽命。

　　通過(guò)PSIM軟件仿真驗證變換器升、降壓功能，仿真結果降壓變換實(shí)現了原邊開(kāi)關(guān)管的ZVS和副邊開(kāi)關(guān)管的ZCS，降低了系統損耗且系統輸出電壓精度、紋波、動(dòng)態(tài)響應時(shí)間和動(dòng)態(tài)負載電壓調整率等性能指標均較好。另外升壓恒流預充時(shí)間較電阻預充時(shí)間少70ms，較大地節約了預充時(shí)間。

　　參考文獻:

　　[1] 杭孟荀,沙文瀚,王曉輝,王瑛,張杰. 車(chē)載電力系統和汽車(chē)[P].中國：CN107554335A. 2017.08.30.

　　[2] 李紀文,張振國,閆佳樂(lè ),張青青.基于混合動(dòng)力汽車(chē)的雙向 DC-DC 變換器研究[J].信息技術(shù),2015,10:82-85.

　　[3] 張盛鑫,殳國華,陳敏捷. 基于DSP的推挽全橋雙向直流電源設計[J].電氣自動(dòng)化, 2017.39（3）:99-102.

　　[4] [美]Abraham I.Pressman等著(zhù),王志強等譯. 開(kāi)關(guān)電源設計 中文第3版[M].北京:電子工業(yè)出版社.

　　[5] 中華人名共和國國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會(huì ). GB/T 24347-2009 電動(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器[S].北京:中國標準出版社,2009.

　　作者簡(jiǎn)介：

　　杭孟荀民族：漢族 性別：男 學(xué)位：碩士工作單位：奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，曾任奇瑞新能源DC-DC電源產(chǎn)品主管設計師，現任奇瑞新能源電驅系統經(jīng)理；

　　地址：安徽省蕪湖市弋江區花津南路226號

　　郵編：241002

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處