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變換器及應用方案。基于移相全橋拓撲，通過數字DSP芯片控制實現(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(tǒng)成本、提升整車續(xù)航且大大提升新能源汽車的安全性、維護便捷性和可靠性。

　　關鍵詞：雙向DC-DC；移相全橋；預充電功能；應急電源；輔助增程

　　0 引言

　　隨著新能源汽車的廣泛應用，新能源汽車的行駛安全性越來越受到關注和重視，尤其是電動汽車為純電動驅動，一旦高壓電池或者高壓供電回路故障則導致整車失去動力，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，將危及車輛和車內乘員的安全。另外現(xiàn)有新能源汽車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通風發(fā)電用，用途較為簡單。最后現(xiàn)有新能源汽車長時間不用會導致小蓄電池虧電無法啟動問題，甚至小電池虧電嚴重導致小蓄電池損壞的情況出現(xiàn)。

　　針對以上問題，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將高壓動力電池高壓電轉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為高壓電功能，同時實現(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。其一可以在動力電池或高壓回路（例如：預充電路、高壓主繼電器、保險絲、線纜等）故障時將小蓄電池低壓電隔離升壓后供驅動系統(tǒng)做應急電源用，其二升壓功能還具備替代傳統(tǒng)預充電電路實現(xiàn)新能源汽車高壓回路預充功能（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(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。這三個方面問題的解決，有效降低了系統(tǒng)成本，且提升整車續(xù)航、安全性、可靠性及可維護性。

　　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成，其應用的系統(tǒng)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行預充，同時雙向DC-DC檢測高壓側電壓，當規(guī)定時間內電壓上升到V2值時說明預充完成，雙向DC-DC停止升壓輸出并通過CAN上報預充完成信息。如果規(guī)定的時間內高壓側電壓小于電壓V1（V1<V2）或預充電流大于過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通過保險絲連接到低壓電池上，小電池上的電壓給VCU供電同時VCU檢測小電池上的電壓，當電壓低于V3值時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啟動降壓模式給小蓄電池充電，同時VCU檢測小蓄電池電壓，當電壓達到V4（V3<V4）時，VCU發(fā)送指令給雙向DC-DC，讓其停止工作并進入休眠狀態(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DC-DC并采用MPPT算法獲得更多的太陽能輸出，同時VCU檢測小電池上的電壓，當電壓大于V7時VCU喚醒雙向DC-DC和BMS給動力電池和/或高壓零部件供電，起到輔助增加續(xù)航里程的能力。

　　應急電源功能： 當動力電池故障導致主正和主負繼電器斷開后，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主驅動系統(tǒng)使用，同時VCU控制其他高壓零部件停止工作且限制主驅動系統(tǒng)的輸出功率，以便車輛應急行駛一段距離。

　　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全橋開關管組成，變壓器副邊為推挽結構。正向降壓功能是通過全橋移相控制一個橋壁的上管和另外一個橋壁的下管同時開通交疊的量來控制輸出能量，同時利用全橋開關管的寄生電容和原邊電感L3之間諧振實現(xiàn)全橋開關管的軟開關，從而降低開關損耗。副邊MOSFET管QF、QE配合原邊開關工作，在低壓大電流輸出時實現(xiàn)同步整流，避免了常規(guī)二極管導通壓降大且損耗較大問題。反向升壓功能時變壓器副邊為能量輸入側，兩個開關管QF、QE同時關閉時電感L4充電且變壓器原邊無電壓輸出，若其中一個MOSFET打開時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(qū)時間，以避免兩開關管直通短路，QC和QD同理插入死區(qū)時間，這里為了便于分析忽略死區(qū)時間的影響。

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

　　2.2 升壓模式工作原理

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

　　在t0-t1時間內，QE和QF同時開通，則變壓器低壓側繞組和電感L4同時進行儲能充電。

　　在t1-t2時間內，QF關斷后低壓側儲能通過高壓側QB和QC輸出。

　　在t2-t3時間內與t0-t1時間內工作原理是相同的，另外t3-t4時間內的工作類似于t1-t2，不過這里是QE在t3處關閉且能量通過QA和QD輸出到高壓側。

　　3 仿真驗證

　　通過仿真測量QA驅動信號及QA開關管兩端電壓，考慮到提高兩個波形對比效果，將QA電壓縮小400倍，對比如下圖仿真波形所示?？梢娫赒A兩側電壓降為0后驅動信號變?yōu)楦唠娖介_通QA，實現(xiàn)了ZVS零電壓開通，其他原邊開關管同理實現(xiàn)ZVS開通。另外從圖7可以看出副邊開關管實現(xiàn)了ZCS零電流開通，變壓器原邊開關管和副邊開關管分別實現(xiàn)了ZVS和ZCS軟開關，從而降低了降壓模式下的開關損耗。

　　傳統(tǒng)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電機控制器支持電容和母線上的其他電容，其容值一共為380uf，動力電池電壓為300V。以預充電電壓升到電池電壓的98%時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間對比如下圖8所示，可見DC-DC恒流預充時間更短。

　　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%（見公式2），另外動態(tài)響應時間僅為1ms，詳細波形見圖9所示。

　　4 結語

　　本文基于移相全橋拓撲實現(xiàn)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(tǒng)預充電電路預充電時間長且成本貴、維修復雜等問題，另外在動力電池故障高壓切斷等導致失去動力情況下，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(xiàn)并提高了整車的安全性。升壓功能還可以應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軟件仿真驗證變換器升、降壓功能，仿真結果降壓變換實現(xiàn)了原邊開關管的ZVS和副邊開關管的ZCS，降低了系統(tǒng)損耗且系統(tǒng)輸出電壓精度、紋波、動態(tài)響應時間和動態(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間較電阻預充時間少70ms，較大地節(jié)約了預充時間。

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　　作者簡介：

　　杭孟荀民族：漢族 性別：男 學位：碩士工作單位：奇瑞新能源汽車技術有限公司，曾任奇瑞新能源DC-DC電源產品主管設計師，現(xiàn)任奇瑞新能源電驅系統(tǒng)經理；

　　地址：安徽省蕪湖市弋江區(qū)花津南路226號

　　郵編：241002

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