DC\DC轉(zhuǎn)換器在電動汽車中的應(yīng)用

• 1.什么是DC\DC轉(zhuǎn)換器?
• 2.DC\DC轉(zhuǎn)換器在電動汽車中的位置(結(jié)構(gòu)和功能)
• 3.DC\DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)組成
• 4.DC\DC轉(zhuǎn)換器的硬件工作原理

一.什么是DC\DC轉(zhuǎn)換器?

DC/DC變換器將一個直流電壓值的電能變換為另一個直流電壓值的電能裝置。 DC/DC變換器。系統(tǒng)主要由三個部分組成， 功率模塊， 驅(qū)動模塊和控制模塊部分。 作為電動汽動力系統(tǒng)中重要的一部分， 它的一類重要功用是為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 空調(diào)以及其他輔助設(shè)備提供所需要的電力。 給車載電氣供電， DCDC的電能來自千動力電池包， 給汽車低電壓車載用電器供電。

在工程師選型DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率是由汽車的特性決定的， 比如最高速， 百公里加速， 重量， 最大扭矩和功率狀況(峰值功率， 持續(xù)功率等)。

從電動汽車到燃料電池汽車， DC-DC變換器都扮演著身份重要的角色， 由于燃料電池電堆輸出電壓不穩(wěn)， 通過DC/DC變換器閉環(huán)控制可以對其進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓， 然后供給電機(jī)驅(qū)動器。

根據(jù)DC/DC變換器在燃料電池電動汽車中的作用以及運(yùn)行的特殊要求， DC/DC變換器必須滿足以下要求：

(1)變換器是能量傳遞部件， 因此需要滿足轉(zhuǎn)換效率高的要求， 以便提高能源利用率。

(2)由予燃料電池輸出響應(yīng)較慢， 故需要變換器具有良好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。

(3)為了提高汽車功率密度比， 需要汽車部件體積小， 重量輕， 以提高燃料電池電動汽車的運(yùn)輸能力， 使其更有實(shí)用價值。 因而DC/DC變換器要滿足體積小， 重量輕的要求。

二.DC\DC轉(zhuǎn)換器在電動汽車中的位置(結(jié)構(gòu)和功能)

圖示為簡單的電動汽車系統(tǒng)架構(gòu)

電動汽車系統(tǒng)由不同模塊構(gòu)成，這些模塊為傳動系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)。動力電池模塊(通常乘用車是400V范圍內(nèi)的鋰離子化學(xué)電池)由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)進(jìn)行管理和監(jiān)測，并通過一個車載充電機(jī)模塊(AC\DC變換器)進(jìn)行充電，交流電壓范圍是從110V的單相系統(tǒng)到380V的三相系統(tǒng)。動力電池模塊通過一個雙向的DC\DC變換器和DC\AC逆變器來驅(qū)動電機(jī)，同時用于再生制動，將回收的能量存入動力電池。同時，為了將動力電池的高壓轉(zhuǎn)化為可供車載電子設(shè)備使用和給蓄電池充電的13.8V電源，需要一個降壓型DC\DC變換器模塊。

三.DC\DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)組成

圖所示為變換器系統(tǒng)的主電路拓?fù)浼捌淇刂平Y(jié)構(gòu)。輸入級由Q1、Q2、Q3、Q4四個開關(guān)管組成的全橋電路和高頻變壓器Tr構(gòu)成，輸出級由同步整流管SR5、SR6和輸出濾波電感L1、L2以及輸出濾波電容C0構(gòu)成。全橋電路向變壓器一次側(cè)輸出的是準(zhǔn)方波，當(dāng)全橋的對角開關(guān)管導(dǎo)通時能量由變壓器的初級傳向次級。在死區(qū)時間內(nèi)，通過原邊開關(guān)管的寄生電容和變壓器的漏感的串聯(lián)諧振來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS。如下結(jié)構(gòu)的同步整流管采用外激式驅(qū)動，在沒有能量從變壓器原邊傳輸至副邊時，同步整流器SR5和SR6仍然導(dǎo)通，避免了同步整流管的反并二極管的換流導(dǎo)通，從而進(jìn)一步降低整流的導(dǎo)通損耗。

擴(kuò)展：什么是ZVS?

簡單來說，ZVS就是零電壓開關(guān),英文全稱是：Zero Voltage Switch

PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作(開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊)，因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。

為此，必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)/零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到80%~85%。

20世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振(20世紀(jì)80年代中)全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世紀(jì)80年代末)ZVS-PWM有源嵌位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(20世紀(jì)90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(20世紀(jì)90年代中)等。

我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達(dá)93%。

四.DC\DC轉(zhuǎn)換器的硬件工作原理

圖示為基本的PWM全橋變換器電路拓?fù)浜椭饕ㄐ?。其中，Vin是輸入側(cè)直流母線電壓，全橋由四只功率開關(guān)管Q1-Q4構(gòu)成，主變壓器Tr的原副邊繞組匝數(shù)比為N，D5和D6構(gòu)成輸出整流電路，L和C分別為輸出濾波電感和電容，負(fù)載為R。

通過控制全橋的四只功率開關(guān)的導(dǎo)通和截止，在變壓器的原邊得到一個交流方波電壓Vab，其幅值為Vin。Vab通過高頻變壓器傳輸至副邊，同樣得到一個交流方波電壓，其幅值為Vin/N。這個交流方波再經(jīng)過D5和D6構(gòu)成的整流橋整流之后，得到一個幅值為Vin/N的直流方波電壓Vrect。最后，Vrect經(jīng)L和C組成的濾波網(wǎng)絡(luò)濾去其中的高頻分量，得到一個平直的直流輸出電壓Vo，其幅值大小為D*Vin/N，其中D=Ton/(Ts/2)是占空比，Ton是斜對角的兩只開關(guān)管的同時導(dǎo)通時間，Ts是開關(guān)周期。輸出電壓Vo的幅值通過調(diào)節(jié)占空比D來實(shí)現(xiàn)。