車載直流變換器的製作方法

2023-05-14 02:21:26 3

專利名稱：車載直流變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電能變換技術領域，特別涉及一種車載直流變換器。
背景技術：
隨著我國經濟的發展，汽車的產銷量和保有量都保持著高速穩定的發展態勢。有專家指出，按照現在的發展速度，我國的燃油生產將面臨更大的壓力，能源供應及環境的壓力正在成為汽車行業發展的制約因素。我國汽車產業的未來，必然要走發展更清潔更節能之路。電動汽車以清潔的、可再生的能源為動力，必將成為汽車大家庭中的重要成員。 電動汽車的電源多為電池，因電池組的輸出電壓波動範圍大，且供電單元的電池數量不一樣，電壓波動範圍是不一樣的，波動範圍一般來都在24V 90V之間，而後級電壓一般都要求穩壓在24V以及24V以內的電壓水平，在負載從空載到滿載以及輸入從最小電壓到最大電壓波動時，輸出電壓的波動範圍在O. 3V以內。鑑於車載特殊的使用場合，要求該變換器必須具備應有的設計功能和性能，而且也要滿足對體積、效率、重量、可靠性、電磁幹擾與抗幹擾性、熱性能、噪聲等方面的特殊要求。隨著電動汽車載重量以及運行速度的提高，對車載電源功率以及車載電源的要求越來越高。而傳統電動汽車用車載電源一般採用逆變器加工頻變壓器的方案，它存在體積大、效率低等缺陷。隨著新型電力電子器件和電力電子技術的發展，採用高頻開關電源技術來實現無工頻變壓器的逆變電路，可以很好地解決傳統車載電源存在的問題，同時能保證車載電源的輸出電壓更穩定、更平滑。鑑於上文所述，結合現代電動汽車對車載裝置的特殊要求，吸收傳統的電動汽車用DC-DC變換器的優勢，在進行恆壓閉環控制時，採用功率單元並聯的形式實現功率大、體積小的DC轉換器，可以極大的提高系統的可靠性和性價比。因此，研發出在車載動力電源供電下基於功率單元並聯的電動車用DC-DC變換器，對提高電動汽車的運行效率將具有明顯重要的意義。
發明內容本實用新型為了解決傳統電動汽車用DC-DC變換器不能適應現代電動汽車的要求，而提出一種針對電動汽車而設計的基於功率單元並聯的降壓型直流變換器，以能適用於各種用於不同型號、不同功率的電動汽車，並可通過更換部分零件和設定部分參數可以滿足各種電動汽車的對DC-DC變換器的要求，並確保該變換器輸出電壓精度高，適應好，效率高。本實用新型是通過以下方案實現的上述的車載直流變換器，所述直流變換器主要由電性連接的輸入控制繼電器、功率並聯單元、EMI處理單元、輸出控制繼電器、控制和保護單元組成；所述直流變換器還具有CAN接口。所述控制和保護單元具有脈寬調製脈衝的產生、恆壓過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、輸入反接保護以及輸出反接保護功能；所述控制和保護單元包括自適應控制單元，所述自適應控制單元滿足在輸入和輸出狀態不確定性的情況下所述直流變換器的工作要求。所述自適應控制單元，起動時如果檢測到輸出電池饋電，即以最大保護電流在恆流工作方式下對輸出電池充電，等電壓上升到輸出電壓額定值後開始恆壓工作，避免因為電池饋電導致轉換器頻繁保護；起動時系統自檢一切正常，即進入恆壓工作模式，出現輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載、過壓或者過流即進入保護工作模式；其中輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載時，系統不起動； 短路狀態下自動切到恆流工作模式，並且斷開輸入與輸出控制開關；開路情況下自動切到恆壓工作模式，並且斷開輸入控制開關。所述直流變換器通過所述CAN接口與整車控制器及相關的用電設備之間信號連接。所述功率並聯單元主要由兩個相互獨立的功率單元並聯組成，其中每一個功率單元由直流交流變換單元、高頻隔離單元、全波整流單元以及濾波單元電性連接組成。所述直流交流變換單元的拓撲結構為在高頻變壓器一次側和二次側均有兩個相互獨立的繞組，所述變壓器一次側的兩個相互獨立的繞組並聯連接，採用帶中心抽頭的變壓器的逆變電路結構，實現直流到交流的變換。所述高頻隔離單元主要通過高頻變壓器，結合高頻開關器件和控制器件的開特性，在控制性能和效率最優的情況下設計變壓器的參數，實現整流側的最佳控制電壓。所述全波整流單元利用單相全波整流電路實現將高頻交流電變換成脈動直流電。所述濾波單元採用單相全波高頻整流和無源低通濾波，實現高頻交流電壓到恆定直流的變換。有益效果I、本實用新型的車載直流變換器的控制和保護單元包括自適應控制單元，自適應控制單元滿足在輸入和輸出狀態不確定性的情況下直流變換器的工作要求。自適應控制單元，起動時如果檢測到輸出電池饋電，即以最大保護電流在恆流工作方式下對輸出電池充電，等電壓上升到輸出電壓額定值後開始恆壓工作，避免因為電池饋電導致轉換器頻繁保護；起動時系統自檢一切正常，即進入恆壓工作模式，出現輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載、過壓或者過流即進入保護工作模式；其中輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載時，系統不起動；短路狀態下自動切到恆流工作模式，並且斷開輸入與輸出控制開關；開路情況下自動切到恆壓工作模式，並且斷開輸入控制開關；停止工作期間實時監測故障是否解除，若故障解除自動恢復工作，恢復啟動時衝擊電流不大於10A。不需要斷電恢復。提供CAN接口，通過CAN接口與整車控制器及相關的用電設備之間信號連接。2、本實用新型的車載直流變換器使用採用功率單元並聯的新型拓撲結構和脈衝控制晶片，採用輸出電壓和輸出電流雙閉環控制，按照輸入電壓的波動情況以及負載的變化特徵，自動實現輸出電壓的穩壓和環流抑制，同時變換器具有良好的性能指標。採用功率單元並聯技術不僅能減小變換器的體積，而且還能顯著提高其工作效率，經實際測試在滿載(14. 2V/600W)時效率可達到90. 5%。3、電壓環採用硬體PID調節實現恆壓控制，電流環實現短路保護控制。電壓環採用PID調節，不僅能提高恆壓的精度，而且還有較快的響應速度和很低的超調量。利用電流環實現短路保護，這樣在出現短路故障時系統能夠以最快的速度關閉功率器件的脈衝；具有過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、輸入反接保護以及輸出反接保護功能。

圖I是本實用新型車載直流變換器的系統結構框圖。圖2為本實用新型車載直流變換器的功率並聯單元結構框圖。圖3為本實用新型車載直流變換器的功率單元工作原理圖。
具體實施方式如圖I至圖3所示，本實用新型的車載直流變換器，是一種寬輸入的基於功率單元並聯的DC-DC變換器，主要由電性連接的輸入控制繼電器I、功率並聯單元2、EMI處理單元3、輸出控制繼電器4、控制和保護單元5以及CAN接口 6組成。輸入控制繼電器I在控制和保護單元5檢測到系統有不正常時，如過壓、過流、過熱、輸出電池反接或者短路現象時，輸入控制繼電器I斷電，使電源系統的輸入電壓為零。功率並聯單元2主要由兩個相互獨立的功率單元並聯組成，其中每一個功率單元由DC-AC變換單元21、高頻隔離單元22、全波整流單元23以及低通濾波單元24組成。DC-AC變換單元21採用新型的拓撲結構，在高頻變壓器一次側和二次側均設有兩個相互獨立的繞組，其中變壓器一次側兩個相互獨立的繞組並聯，採用帶中心抽頭的變壓器的逆變電路結構，實現直流到交流的變換。該拓撲結構能夠形成的基礎是變壓器一次側和二次側都繞製成兩個相互獨立的繞組，實際使用時將該變壓器一次側的兩個相互獨立的繞組連接成並聯的形式，有了這個結構以後採用帶中心抽頭變壓器的逆變電路，這樣對於橋式電路而言，設計的驅動電路就不用隔離，控制和使用起來就大大簡化，從而實現直流到交流的變換，克服了傳統的單相半橋或者單相全橋逆變器要麼主電路結構複雜，要麼驅動電路需要隔離的缺點，新型的拓撲結構實現了主電路結構簡單，控制驅動簡化的優點，大大降低了整個變換器的成本，同時提高了系統的可靠性。高頻隔離單元22主要通過高頻變壓器，結合高頻開關器件和控制器件的開特性，在控制性能和效率最優的情況下設計變壓器的參數，實現整流側的最佳控制電壓。全波整流單元23利用單相全波整流電路實現將高頻交流電變換成脈動直流電。濾波單元24採用單相全波高頻整流和無源低通濾波，實現高頻交流電壓到恆定直流的變換。EMI處理單元3用於處理電磁幹擾電源在工作時，輸出整流二極體處於高頻通斷狀態，對變壓器二次側處於間斷性取電，極易產生電磁幹擾，EMI處理單元以致輸出端的傳導共模幹擾。輸出控制繼電器4主要用於檢測輸出電池的狀態來控制電源的工作狀態，控制和保護單元5檢測到接上電池，並且電池電壓達到正常工作電壓時才啟動電源系統工作。控制和保護單元5具有多樣工況下自適應控制單元51，車載DC-DC變換器的負載特性複雜，輸入電壓參數不確定性強，採用自適應控制單元51滿足在輸入和輸出狀態不確定性的情況下變換器的工作要求，具體控制策略為起動時如果檢測到輸出電池饋電，即以最大保護電流在恆流工作方式下對輸出電池充電，等電壓上升到輸出電壓額定值後開始恆壓工作，避免因為電池饋電導致轉換器頻繁保護；起動時系統自檢一切正常，即進入恆壓工作模式，出現輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載、過壓或者過流即進入保護工作模式；其中輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載時，系統不起動；短路狀態下自動切到恆流工作模式，並且斷開輸入與輸出控制開關；開路情況下自動切到恆壓工作模式，並且斷開輸入控制開關；控制和保護單元5主要實現脈寬調製脈衝的產生、恆壓過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、輸入反接保護以及輸出反接保護功能。另外為適應整車控制器控制，DC-DC變換器通過CAN接口 6連接CAN總線並接收整車控制器的使能指令，控制DC-DC變換器輸出啟動與關斷；同時DC-DC變換器將工作狀態信息發送給整車控制器；該單元採用TI公司的TL494CN產生PWM波，同時通過調節其同相輸入端和反向輸入端的電壓差來調節脈衝的寬度，DC-DC變換器的輸入電壓範圍為120V 262V，以實現系統穩定可靠的輸出。工作過程I、功率單元工作過程每一個功率單元的工作過程=DC-AC變換單元21將直流電變成交流電，高頻隔離單元22，將DC-AC變換單元21輸出的高頻脈衝電隔離變換成低壓的高頻脈衝電，全波整流單元23將低壓的高頻脈衝電變換成脈動的直流電，濾波單元24將脈動的直流電變換成平滑恆定的直流電。結合附圖3進一步說明每一個功率單元的工作原理電源接通後，系統進入軟啟動模式，PWMl的佔空比緩慢的由O增加到設定的穩定電壓為止，PWMl為高電平時，PWM2為低電平時，MOS管Ql導通，MOS管Q2截止，變壓器一次側的電流的流動路徑為電池E-變壓器一次側繞組Nl-MOS管Ql-電源地，變壓器二次側二極體Dl導通，二極體D2截止，此時電流的流通路徑為變壓器二次側繞組N3- 二極體Dl-濾波電感LI-濾波電容C及並聯負載，當二極體Dl截止時，此時電流的流通路徑為濾波電容C-負載-濾波電容。PWM2為高電平時，PWMl為低電平時，Q2導通，Ql截止，變壓器一次側的電流的流動路徑為電池E-變壓器一次側繞組N2-M0S管Q2-電源地，變壓器二次側二極體D2導通，二極體Dl截止，此時電流的流通路徑為變壓器二次側繞組N4- 二極體D2-濾波電感LI-濾波電容C及並聯負載，當二極體D2截止時，此時電流的流通路徑為濾波電容C-負載-濾波電容。見附圖I。2、整機的工作過程電動汽車電源主開關合上後，控制和保護單元對系統進行自檢，同時判斷輸出電池是否接上，電池電壓是否足夠，自診斷確認正常以後，輸入繼電器I合上，DC-AC變換單元21將直流電變成交流電，高頻隔離單元22，將DC-AC變換單元21輸出的高頻脈衝電隔離變換成低壓的高頻脈衝電，全波整流單元23將低壓的高頻脈衝電變換成脈動的直流電，濾波單元24將脈動的直流電變換成平滑恆定的直流電，EMI處理單元3濾除平滑直流電的毛刺，同時抑制輸出對電源的幹擾，控制和保護單元檢測到輸出電池的狀態正常後讓輸出控制繼電器4合上,系統進入正常工作模式。電動汽車電源主開關合上後，控制和保護單元5具有多樣工況下自適應控制單元51，車載DC-DC變換器的負載特性複雜，輸入電壓參數不確定性強，採用自適應控制單元51滿足在輸入和輸出狀態不確定性的情況下變換器的工作要求起動時如果檢測到輸出電池饋電，即以最大保護電流在恆流工作方式下對輸出電池充電，等電壓上升到輸出電壓額定值後開始恆壓工作，避免因為電池饋電導致轉換器頻繁保護；起動時系統自檢一切正常，即進入恆壓工作模式，出現輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載、過壓或者過流即進入保護工作模式；其中輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載時，系統不起動； 短路狀態下自動切到恆流工作模式，並且斷開輸入與輸出控制開關；開路情況下自動切到恆壓工作模式，並且斷開輸入控制開關；控制和保護單元5通過硬體電路實現系統初始狀態的自診斷，檢測輸出端電池是否接上，輸出電池是否反接，輸出是否短路，檢測輸入電壓是否反接，如果有一個出現故障則系統不啟動。自診斷確認正常以後，輸入繼電器I合上，進入正常工作模式，通過功率單元2的並聯實現向負載提供能量。在工作過程中，控制和保護單元5檢測是否有出現輸出過壓、輸出過流以及過熱的情況，一旦出現則進入保護工作模式。保護工作模式中，當出現輸出過壓和過流時，控制單元5立即切斷脈衝和輸入繼電器1，經過一定時間的延時後，如果故障排除，系統自動恢復進入正常工作模式。有益效果本實用新型是的車載直流變換器，控制和保護單元具有多樣工況下自適應控制單元，同時採用基於功率單元並聯的DC-DC變換器恆壓控制原理、硬體PID、高頻逆變、整流和濾波技術，實現變換器寬輸入、高效，性能可靠，降低電動汽車的使用成本；提供CAN接口，通過CAN接口與整車控制器及相關的用電設備之間信號連接。非因此局限本實用新型的保護範圍，故舉凡運用本實用新型說明書及圖示內容所為的等效技術變化，均包含於本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種車載直流變換器，所述直流變換器主要由電性連接的輸入控制繼電器、功率並聯單元、EMI處理單元、輸出控制繼電器、控制和保護單元組成；其特徵在於所述直流變換器還具有CAN接口。
2.如權利要求I所述的車載直流變換器，其特徵在於所述控制和保護單元具有脈寬調製脈衝的產生、恆壓過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、輸入反接保護以及輸出反接保護功能； 所述控制和保護單元包括自適應控制單元，所述自適應控制單元滿足在輸入和輸出狀態不確定性的情況下所述直流變換器的工作要求。
3.如權利要求2所述的車載直流變換器，其特徵在於所述自適應控制單元，起動時如果檢測到輸出電池饋電，即以最大保護電流在恆流工作方式下對輸出電池充電，等電壓上升到輸出電壓額定值後開始恆壓工作，避免因為電池饋電導致轉換器頻繁保護； 起動時系統自檢一切正常，即進入恆壓工作模式，出現輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載、過壓或者過流即進入保護工作模式；其中輸入過壓、輸入欠壓、輸出反接、空載時，系統不起動； 短路狀態下自動切到恆流工作模式，並且斷開輸入與輸出控制開關； 開路情況下自動切到恆壓工作模式，並且斷開輸入控制開關。
4.如權利要求I所述的車載直流流變換器，其特徵在於所述直流變換器通過所述CAN接口與整車控制器及相關的用電設備之間信號連接。
5.如權利要求I所述的車載直流變換器，其特徵在於所述功率並聯單元主要由兩個相互獨立的功率單元並聯組成，其中每一個功率單元由直流交流變換單元、高頻隔離單元、全波整流單元以及濾波單元電性連接組成。
6.如權利要求5所述的車載直流變換器，其特徵在於所述直流交流變換單元的拓撲結構為在高頻變壓器一次側和二次側均有兩個相互獨立的繞組，所述變壓器一次側的兩個相互獨立的繞組並聯連接，採用帶中心抽頭的變壓器的逆變電路結構，實現直流到交流的變換。
7.如權利要求5所述的車載直流變換器，其特徵在於所述高頻隔離單元主要通過高頻變壓器，結合高頻開關器件和控制器件的開特性，在控制性能和效率最優的情況下設計變壓器的參數，實現整流側的最佳控制電壓。
8.如權利要求5所述的車載直流變換器，其特徵在於所述全波整流單元利用單相全波整流電路實現將高頻交流電變換成脈動直流電。
9.如權利要求5所述的車載直流變換器，其特徵在於所述濾波單元採用單相全波高頻整流和無源低通濾波，實現高頻交流電壓到恆定直流的變換。
專利摘要本實用新型涉及一種車載直流變換器，所述直流變換器主要由電性連接的輸入控制繼電器、功率並聯單元、EMI處理單元、輸出控制繼電器、控制和保護單元組成；所述直流變換器還具有CAN接口。所述直流變換器的控制和保護單元具有多樣工況下自適應控制單元，同時採用基於功率單元並聯的DC-DC變換器恆壓控制原理、硬體PID、高頻逆變、整流和濾波技術，實現變換器寬輸入、高效，性能可靠，降低電動汽車的使用成本；提供CAN接口，通過CAN接口與整車控制器及相關的用電設備之間信號連接。
文檔編號H02M3/00GK202586744SQ20122024310
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者趙明禹, 史國輝, 張建 申請人:十堰進步工貿有限公司