恒流模式DC/DC變換器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

陳 東

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

在傳統(tǒng)燃油車中，當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)運(yùn)行之后，整車用電設(shè)備的電是由發(fā)電機(jī)提供的，通過(guò)發(fā)電機(jī)的匹配達(dá)到整車的電量平衡；在電動(dòng)汽車中，則是由高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器提供整車低壓用電，通過(guò)DC/DC變換器匹配達(dá)到整車的電量平衡。DC/DC變換器是一種將高壓直流轉(zhuǎn)換為低壓直流的裝置。

1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器按輸出模式上可以分為恒壓工作模式和恒流工作模式。

1）DC/DC變換器恒壓工作模式 DC/DC變換器恒壓工作模式輸出電壓恒定，當(dāng)整車負(fù)載電流小于DC/DC變換器的輸出能力時(shí)，電壓很穩(wěn)定。當(dāng)整車負(fù)載電流超過(guò)DC/DC變換器輸出能力的1.2倍時(shí)，DC/DC將觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，DC/DC關(guān)閉輸出。采用恒壓模式的工作方式是受國(guó)標(biāo)GB/T 24347的影響，國(guó)標(biāo)要求“5.11峰值輸出功率及持續(xù)時(shí)間 DC/DC變換器過(guò)載輸出功率不小于額定功率的1.2倍。按照6-11所述的方法測(cè)量測(cè)出的峰值持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不低于6min”［1］。因此在DC/DC變換器應(yīng)用中，經(jīng)常應(yīng)用恒壓模式，通過(guò)預(yù)留1.2倍的余量來(lái)覆蓋整車的最大負(fù)載。工作模式的優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定，缺點(diǎn)是選型需要覆蓋整車運(yùn)行中出現(xiàn)的最大負(fù)載，選型功率需要很大，成本高。

2）DC/DC變換器恒流工作模式 DC/DC變換器的恒流工作模式輸出電流根據(jù)整車負(fù)載大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)整車負(fù)載電流小于DC/DC變換器的額定負(fù)載時(shí)，DC/DC變換器按整車需求負(fù)載輸出，電壓恒定；當(dāng)整車負(fù)載大于DC/DC變換器時(shí)，DC/DC恒定額定電流恒流輸出，DC/DC降低輸出電壓，此時(shí)由蓄電池補(bǔ)充整車需求的額外電流。采用恒流模式的優(yōu)點(diǎn)是DC/DC不會(huì)斷電，可以持續(xù)輸出，選型可以只需覆蓋平均用電需求即可，功率選型小，成本低，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，考慮輸出紋波的影響。

2 DC/DC變換器兩種工作模式應(yīng)用對(duì)比

筆者將結(jié)合上汽大通V80純電動(dòng)汽車的DC/DC變換器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)恒壓模式和恒流模式DC/DC變換器在整車中的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比介紹，對(duì)比兩種工作模式在整車上的應(yīng)用情況，以及基于兩種模式選型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1）恒壓模式DC/DC變換器應(yīng)用 上汽大通V80純電動(dòng)汽車在項(xiàng)目初期采用的是恒壓模式的DC/DC變換器，但是在路試過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)整車突然斷電停駛的情況。經(jīng)查看報(bào)文數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)DC/DC關(guān)閉輸出，整車消耗蓄電池電，造成行車過(guò)程中蓄電池虧電。在蓄電池虧電的情況下，當(dāng)整車出現(xiàn)比較大的負(fù)載時(shí)，例如EHPS，拉低蓄電池的電壓至9 V以下，當(dāng)整車系統(tǒng)電壓下降到9 V以下，高壓器件控制器不工作，導(dǎo)致整車無(wú)動(dòng)力輸出，車輛停駛。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集分析，發(fā)現(xiàn)整車負(fù)載電流大于DC/DC變換器輸出能力時(shí)，DC/DC變換器關(guān)閉輸出，見(jiàn)圖1。

2）恒流模式DC/DC變換器應(yīng)用 為解決整車斷電停駛的問(wèn)題，參考了發(fā)電機(jī)控制模式，發(fā)電機(jī)的輸出模式是當(dāng)整車負(fù)載大于發(fā)電機(jī)輸出能力時(shí)，發(fā)電機(jī)將降低電壓，將輸出電流恒定在額定輸出。通過(guò)調(diào)整控制方式，將DC/DC變換器改為恒流工作模式，讓DC/DC按恒流模式輸出。DC/DC改為恒流模式之后，在正常情況下DC/DC變換器未發(fā)生斷電情況，保證了整車路試的正常進(jìn)行。DC/DC變換器恒流輸出情況見(jiàn)圖2。

圖1 DC/DC關(guān)閉輸出

圖2 DC/DC變換器恒流輸出

3）恒壓模式和恒流模式DC/DC變換器對(duì)比 不管是電動(dòng)汽車還是燃油汽車，整車運(yùn)行的工況和需求是一樣的。在電動(dòng)汽車中，參考燃油汽車的電平衡，按城市廣場(chǎng)工況負(fù)載進(jìn)行電量平衡匹配和評(píng)估，通過(guò)采集整車的城市工況數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估整車的電量平衡。城市廣場(chǎng)工況轉(zhuǎn)彎地方比較多，EHPS的工作峰值電流大，城市廣場(chǎng)負(fù)載曲線見(jiàn)圖3。通過(guò)城市數(shù)據(jù)的采集，發(fā)現(xiàn)如果要采用恒壓模式的輸出，DC/DC變換器需要覆蓋整車出現(xiàn)的最大峰值電流，需要將DC/DC變換器功率提升至3.4 kW，才能覆蓋整車最大的負(fù)載。但是采用恒流模式，只需要考慮平均負(fù)載消耗，出現(xiàn)峰值電流時(shí)，蓄電池提供放電，在其它情況下，DC/DC給蓄電池充電，來(lái)保證整車的電量平衡，采用此種方式，只需要2.5 kW功率即可滿足。目前市面DC/DC變換器價(jià)格按1元/W估算，針對(duì)于V80純電動(dòng)汽車的這款車型，選擇了恒流模式的DC/DC變換器，單車成本可以降低900元。

圖3 整車城市廣場(chǎng)工況負(fù)載

3 恒流模式DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)的方式

1）恒流模式DC/DC變換器的控制方法 恒流模式DC/DC變換器工作簡(jiǎn)易原理框圖見(jiàn)圖4。整車高壓直流電輸入給DC/DC變換器，DC/DC變換器內(nèi)的濾波電路對(duì)高壓輸入直流電進(jìn)行濾波，再進(jìn)入一級(jí)升壓電路，將電壓升壓到一個(gè)穩(wěn)定的高壓，然后通過(guò)全橋電路將直流電變?yōu)榻涣麟?，通過(guò)變壓器將高壓交流電變?yōu)榈蛪航涣麟?，再通過(guò)同步整流器將低壓交流電整流為低壓直流電，再經(jīng)輸出濾波電路后低壓輸出，主控制器通過(guò)轉(zhuǎn)換控制器控制全橋電路的通斷。其特征是：在低壓輸出端前裝有電流采樣電路，通過(guò)輸出電流采樣信號(hào)將輸出電流值輸入主控制器，主控制器通過(guò)比較輸出電流與額定電流，當(dāng)輸出電流高于額定電流時(shí)，主控制器通過(guò)轉(zhuǎn)換控制器控制全橋電路的開(kāi)閉，進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)換電流，進(jìn)入恒流模式，DC/DC變換器按照恒定的額定電流輸出；當(dāng)輸出電流小于額定電流時(shí)，DC/DC變換器按輸出電流進(jìn)行輸出。

圖4 恒流DC/DC變換器工作原理框圖

2）DC/DC過(guò)電流誤觸發(fā)保護(hù) DC/DC變換器在設(shè)計(jì)上因?yàn)樾杩紤]到元器件的承受能力，需要進(jìn)行保護(hù)措施，以防偶發(fā)性的超負(fù)載導(dǎo)致元器件的失效，從而導(dǎo)致DC/DC變換器的損壞，DC/DC變換器在設(shè)計(jì)上會(huì)有過(guò)電流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)和恒定電流控制方法都是通過(guò)采樣輸出端的電流進(jìn)行反饋控制。在過(guò)流保護(hù)和恒流模式的時(shí)序上需要格外注意。在V80純電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)中，就遇到了過(guò)電流保護(hù)誤觸發(fā)，見(jiàn)圖5。在某些特定的工況下，例如低速或者停車急打轉(zhuǎn)向時(shí)，整車會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較大的負(fù)載，在V80純電動(dòng)汽車上就采集到了250 A峰值電流，當(dāng)整車在短時(shí)間的情況下突然出現(xiàn)遠(yuǎn)超出DC/DC變換器的輸出負(fù)載情況下，DC/DC優(yōu)先進(jìn)入了過(guò)流保護(hù)，DC/DC變換器還未進(jìn)入恒流，導(dǎo)致DC/DC變換器因過(guò)流保護(hù)關(guān)閉了輸出。

針對(duì)于誤觸發(fā)的情況，提高采樣頻率縮短恒流切換時(shí)間并延長(zhǎng)過(guò)電流保護(hù)進(jìn)入時(shí)間。當(dāng)出現(xiàn)峰值電流過(guò)大的情況，DC/DC變換器在1ms進(jìn)入恒流模式，降低輸出電壓，限制電流輸出，此時(shí)因輸出電壓降低，蓄電池參與放電，保證DC/DC變換器電流可以持續(xù)降低至額定電流，并且將過(guò)電流保護(hù)觸發(fā)的時(shí)間延長(zhǎng)至20 ms。當(dāng)20 ms后，DC/DC變換器的電流已降低至額定電流，小于過(guò)流保護(hù)觸發(fā)值，因此不會(huì)再出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。修正之后的DC/DC變換器輸出見(jiàn)圖6。修正測(cè)量之后，DC/DC產(chǎn)品在V80純電動(dòng)汽車上再未出現(xiàn)低壓斷電的情況。上汽大通V80純電動(dòng)汽車目前試驗(yàn)已完成，并且已順利上市。

圖5 過(guò)電流保護(hù)誤觸發(fā)

4 結(jié)論

圖6 過(guò)流保護(hù)修正

本文給出了恒流模式和恒壓模式DC/DC變換器的應(yīng)用對(duì)比情況，并且給出恒流模式在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用情況，闡述了恒流模式DC/DC變換器和恒壓模式DC/DC變換器在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。筆者推薦采用恒流模式DC/DC變換器，可以大大降低DC/DC變換器的選型功率，特別對(duì)于整車負(fù)載較大的車型，選型功率降低特別明顯，成本上的降本也比較明顯。本文也簡(jiǎn)單闡述了恒流DC/DC變換器的控制方法，介紹了在應(yīng)用中容易出現(xiàn)的過(guò)電流誤觸發(fā)，針對(duì)此問(wèn)題提供了相應(yīng)的解決思路。本文中的恒流DC/DC變換器的控制方法筆者已作為第一發(fā)明人申請(qǐng)了發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01610918726.2。