基于新能源汽車用高低壓隔離雙向DC-DC變換器

　　杭孟荀 沙文瀚 方磊 陳士剛

　?。ㄆ嫒鹦履茉雌嚰夹g(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002)

　　摘要：介紹了一種新能源汽車用多功能高低壓隔離雙向DC-DC變換器及應(yīng)用方案。基于移相全橋拓?fù)?，通過數(shù)字DSP芯片控制實(shí)現(xiàn)高低壓電源能量的雙向傳遞，較傳統(tǒng)新能源汽車DC-DC成本無增加基礎(chǔ)上新增應(yīng)急電源、高壓回路預(yù)充電、多余電能轉(zhuǎn)換高壓回路再利用等功能，該方案降低了系統(tǒng)成本、提升整車?yán)m(xù)航且大大提升新能源汽車的安全性、維護(hù)便捷性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞：雙向DC-DC；移相全橋；預(yù)充電功能；應(yīng)急電源；輔助增程

　　0 引言

　　隨著新能源汽車的廣泛應(yīng)用，新能源汽車的行駛安全性越來越受到關(guān)注和重視，尤其是電動(dòng)汽車為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，一旦高壓電池或者高壓供電回路故障則導(dǎo)致整車失去動(dòng)力，如發(fā)生在高速公路或爬坡等工況下易造成危險(xiǎn)事件發(fā)生，將危及車輛和車內(nèi)乘員的安全。另外現(xiàn)有新能源汽車預(yù)充電電路由預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻組成，存在成本高、易損壞、故障診斷及維修繁瑣等問題；另外，目前一些車輛（例如：豐田普銳斯、奧迪A8L、大眾輝騰等）配備太陽能天窗主要做車內(nèi)通風(fēng)發(fā)電用，用途較為簡單。最后現(xiàn)有新能源汽車長時(shí)間不用會(huì)導(dǎo)致小蓄電池虧電無法啟動(dòng)問題，甚至小電池虧電嚴(yán)重導(dǎo)致小蓄電池?fù)p壞的情況出現(xiàn)。

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

　　1 系統(tǒng)方案

　　本文介紹的雙向DC-DC工作主要有四種功能模式構(gòu)成，其應(yīng)用的系統(tǒng)電氣框圖如圖1所示，其功能詳細(xì)介紹如下。

　　預(yù)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(nèi)的大電容進(jìn)行預(yù)充，同時(shí)雙向DC-DC檢測(cè)高壓側(cè)電壓，當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)電壓上升到V2值時(shí)說明預(yù)充完成，雙向DC-DC停止升壓輸出并通過CAN上報(bào)預(yù)充完成信息。如果規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高壓側(cè)電壓小于電壓V1（V1<V2）或預(yù)充電流大于過流保護(hù)值則停止輸出并上報(bào)預(yù)充故障信息，以便維修人員進(jìn)行故障排查。

　　低壓系統(tǒng)供電功能：雙向DC-DC先完成其高壓側(cè)預(yù)充并將預(yù)充完成信息上傳到CAN上，BMS檢測(cè)到完成信息后閉合主正極繼電器和主負(fù)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開始降壓輸出電壓給低壓側(cè)供電。

　　防低壓蓄電池虧電功能：VCU通過保險(xiǎn)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(cè)小電池上的電壓，當(dāng)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(yù)充，之后主正、負(fù)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(cè)小蓄電池電壓，當(dāng)電壓達(dá)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低壓蓄電池的使用壽命。

　　輔助增程功能：太陽能板通過另外一個(gè)DC-DC并采用MPPT算法獲得更多的太陽能輸出，同時(shí)VCU檢測(cè)小電池上的電壓，當(dāng)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(xù)航里程的能力。

　　應(yīng)急電源功能： 當(dāng)動(dòng)力電池故障導(dǎo)致主正和主負(fù)繼電器斷開后，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(cè)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用，同時(shí)VCU控制其他高壓零部件停止工作且限制主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，以便車輛應(yīng)急行駛一段距離。

　　如上圖2所示，更清晰地說明了能量在各零部件之間的傳輸關(guān)系。本文設(shè)計(jì)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全橋開關(guān)管組成，變壓器副邊為推挽結(jié)構(gòu)。正向降壓功能是通過全橋移相控制一個(gè)橋壁的上管和另外一個(gè)橋壁的下管同時(shí)開通交疊的量來控制輸出能量，同時(shí)利用全橋開關(guān)管的寄生電容和原邊電感L3之間諧振實(shí)現(xiàn)全橋開關(guān)管的軟開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗。副邊MOSFET管QF、QE配合原邊開關(guān)工作，在低壓大電流輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)同步整流，避免了常規(guī)二極管導(dǎo)通壓降大且損耗較大問題。反向升壓功能時(shí)變壓器副邊為能量輸入側(cè)，兩個(gè)開關(guān)管QF、QE同時(shí)關(guān)閉時(shí)電感L4充電且變壓器原邊無電壓輸出，若其中一個(gè)MOSFET打開時(shí)變壓原邊感應(yīng)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(qū)時(shí)間，以避免兩開關(guān)管直通短路，QC和QD同理插入死區(qū)時(shí)間，這里為了便于分析忽略死區(qū)時(shí)間的影響。

　　如圖4所示，當(dāng)小負(fù)載輸出時(shí)考慮到MOSFET寄生二極管導(dǎo)通損耗比同步整流損耗小，所以此時(shí)副邊兩個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)一直給低電平。當(dāng)負(fù)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(hào)重疊區(qū)導(dǎo)通。

　　2.2 升壓模式工作原理

　　升壓模式且在輕載下，原邊開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)，則原邊能量通過全橋MOSFET內(nèi)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關(guān)管控制原邊開關(guān)管工作實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管同步整流功能，降低重載下器件損耗，提高了系統(tǒng)效率。

　　在t0-t1時(shí)間內(nèi)，QE和QF同時(shí)開通，則變壓器低壓側(cè)繞組和電感L4同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能充電。

　　在t1-t2時(shí)間內(nèi)，QF關(guān)斷后低壓側(cè)儲(chǔ)能通過高壓側(cè)QB和QC輸出。

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

　　3 仿真驗(yàn)證

　　通過仿真測(cè)量QA驅(qū)動(dòng)信號(hào)及QA開關(guān)管兩端電壓，考慮到提高兩個(gè)波形對(duì)比效果，將QA電壓縮小400倍，對(duì)比如下圖仿真波形所示?？梢娫赒A兩側(cè)電壓降為0后驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖介_通QA，實(shí)現(xiàn)了ZVS零電壓開通，其他原邊開關(guān)管同理實(shí)現(xiàn)ZVS開通。另外從圖7可以看出副邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZCS零電流開通，變壓器原邊開關(guān)管和副邊開關(guān)管分別實(shí)現(xiàn)了ZVS和ZCS軟開關(guān)，從而降低了降壓模式下的開關(guān)損耗。

　　傳統(tǒng)預(yù)充為預(yù)充電阻，這里預(yù)充電阻阻值為60歐姆，預(yù)充電容主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器支持電容和母線上的其他電容，其容值一共為380uf，動(dòng)力電池電壓為300V。以預(yù)充電電壓升到電池電壓的98%時(shí)作為完成預(yù)充電條件，DC-DC以額定電壓5A恒流預(yù)充，對(duì)比兩種預(yù)充方式下預(yù)充時(shí)間對(duì)比如下圖8所示，可見DC-DC恒流預(yù)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(wěn)壓輸出14V，其輸出電壓紋波峰峰值小于47mV，則紋波系數(shù)為0.34%（見公式1）且輸出平均電壓為14.0014V，則電壓精度滿足GB/T 24347電壓精度1%要求。另外仿真在0.004s時(shí)突加600W負(fù)載，輸出電壓受沖擊電壓跌落為13.717V，其電壓負(fù)載調(diào)整率為2%（見公式2），另外動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅為1ms，詳細(xì)波形見圖9所示。

　　4 結(jié)語

　　本文基于移相全橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)能量的高低壓隔離且雙向傳遞，其升壓預(yù)充電功能解決了傳統(tǒng)預(yù)充電電路預(yù)充電時(shí)間長且成本貴、維修復(fù)雜等問題，另外在動(dòng)力電池故障高壓切斷等導(dǎo)致失去動(dòng)力情況下，升壓功能可以做應(yīng)急電源用，從而解決了一些危險(xiǎn)工況的出現(xiàn)并提高了整車的安全性。升壓功能還可以應(yīng)用到帶有太陽能電池板的新能源汽車上，其將太陽能電池板低壓電隔離升壓為高壓電傳遞給高壓系統(tǒng)用，起到輔助增程功能。其降壓功能為新能源汽車低壓系統(tǒng)供電并帶有防低壓蓄電池虧電功能，此功能提高了用戶使用的便捷性并延長了蓄電池的壽命。

　　通過PSIM軟件仿真驗(yàn)證變換器升、降壓功能，仿真結(jié)果降壓變換實(shí)現(xiàn)了原邊開關(guān)管的ZVS和副邊開關(guān)管的ZCS，降低了系統(tǒng)損耗且系統(tǒng)輸出電壓精度、紋波、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)負(fù)載電壓調(diào)整率等性能指標(biāo)均較好。另外升壓恒流預(yù)充時(shí)間較電阻預(yù)充時(shí)間少70ms，較大地節(jié)約了預(yù)充時(shí)間。

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　　作者簡介：

　　杭孟荀民族：漢族 性別：男 學(xué)位：碩士工作單位：奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，曾任奇瑞新能源DC-DC電源產(chǎn)品主管設(shè)計(jì)師，現(xiàn)任奇瑞新能源電驅(qū)系統(tǒng)經(jīng)理；

　　地址：安徽省蕪湖市弋江區(qū)花津南路226號(hào)

　　郵編：241002

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