CN105656122B - 一种用于新能源汽车的dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于新能源汽车的DC‑DC变换器，其特征在于：所述的变换器包括高压动力电池P1先连接到预充电盒，再经过DC‑DC的高压输入保险丝F1连接到DC‑DC的高压输入侧；电池管理系统控制器BMS控制继电器S2闭合，动力电池P1通过继电器S2、电阻R1给DC‑DC输入侧预充电，当充电电压接近P1正极电压时，电池管理系统控制器BMS控制继电器S1闭合同时继电器S2断开，DC‑DC高压侧电压完成整个预充电过程。由于采用上述的结构和方法，本发明可靠性高、反应速度快、使用安全、维护成本和故障率低；且更加适于应新能源汽车。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车的技术改进，特别涉及一种用于新能源汽车的DC-DC变换器。
背景技术
随着全球石油资源日趋紧张及环境污染日趋严重，各种节能环保的新能源汽车不断涌现，一般可以分为4类，即：纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池动力汽车。随着新能源汽车的技术不断进步及各国持续的政策支持，新能源汽车的销售量呈现逐年快速增长的态势。
在新能源汽车中，DC-DC变换器实现动力电池高压转换为低压给车内低压用电器供电及小蓄电池充电，即实现直流到直流的转换，也就是说它是新能源汽车动力电池与低压用电器之间能量传递的桥梁，又因新能源汽车的DC-DC变换器属于关键零部件，且直接关系的人身行驶安全，所以对DC-DC变换器的可靠性有更高的要求。传统DC-DC缺乏对自身状态信息的监控，当DC-DC失效或者保护停止工作后并无故障信息反馈给整车控制器，在整车行驶一段时间后会出现小蓄电池亏电造成仪表、大灯等低压电器突然熄灭及整车突然失速等危险情况，另外在车辆长期不使用小蓄电池亏电情况下，整车启动时传统DC-DC会以最大峰值电流给小蓄电池充电，而大电流持续充电会造成小蓄电池的寿命和可靠性大大降低。传统DC-DC一般采用单一的硬件使能信号线控制其是否输出，一旦信号线失效直接导致DC-DC无法输出。
针对上述问题，提供一种新型的DC-DC变换器，具有较高的可靠性，更加适用于新能源汽车。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，具有较高的可靠性，更加适用于新能源汽车。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，其特征在于：所述的变换器包括高压动力电池P1先连接到预充电盒，再经过DC-DC的高压输入保险丝F1连接到DC-DC的高压输入侧；DC-DC的高压输入插件带有高压互锁端子H1，当高压插件插好后小蓄电池正极电压VCC通过H1端子再经电阻R2、R3分压电阻产生高电平信号给电池管理系统控制器BMS，电池管理系统控制器BMS控制继电器S2闭合，动力电池P1通过继电器S2、电阻R1给DC-DC输入侧预充电，当充电电压接近P1正极电压时，电池管理系统控制器BMS控制继电器S1闭合同时继电器S2断开，DC-DC高压侧电压完成整个预充电过程；DC-DC的KL15信号直接连接到整车的钥匙信号上，当KL15为高电平时，DC-DC内部低压供电开关S3闭合，DC-DC的内部芯片通过CAN_H和CAN_L线与整车CAN网络进行通讯，当接受到硬件使能信号Enable和/或CAN使能信号，DC-DC立刻输出电压并通过保险丝F2给小蓄电池充电。
所述的预充电盒为预充电阻R1和高压继电器S1，S2组成。
所述的DC-DC内部电压供电KL30采用双路冗余设计，KL30通过保险丝F3直接连接到小蓄电池VCC上，低压辅助供电的负极为两路冗余直接连接到小蓄电池的负极上。
所述的变换器在驾驶人启动车辆时会发送钥匙信号KL15给DC-DC，这时DC-DC内部S3开关闭合，KL30电通过S3开关给DC-DC供低压电，其内部芯片开始进行软件初始化，DC-DC检测其内部温度、输出侧的电压及电流，如果检测值偏离正常范围，则DC-DC将具体的故障信息反馈给VMS和/或仪表，并反复检测，一旦检测全部正常则发送相关信息到CAN网络，之后整车高压继电器吸合，DC-DC通过低压供电线检测小蓄电池电压值为V2，当V3≥V2≥V1时DC-DC会设定输出电压目标值为V＝V2+ΔV，当V2电压小于V1时，DC-DC设定输出电压目标值为V1；当检测到的V2电压大于V3，则DC-DC设定目标电压值为V4；之后DC-DC一直处于等待状态，一旦DC-DC接收到CAN使能信号和/或Enable使能信号，DC-DC首先检测输入的高压电压及内部功率器件的温度是否在(V5，V6)和(T1，T3)范围内，如果不在范围内，DC-DC就一直反复检测并将故障信息反馈给VMS和/或仪表；如果DC-DC输入电压及内部功率器件温度在(V5，V6)和(T1,T3)范围内则DC-DC开始输出，在输出的同时DC-DC会周期重复性检测其工作的关键状态信息，一旦检测的状态量偏离正常值则DC-DC停止工作并将故障信息上传CAN和/或仪表，之后DC-DC再次检测输入电压和内部功率器件温度，如果检测值不在正常范围内则DC-DC反馈其具体的故障信息并周期性重复检测直到状态量，一旦检测到输入电压和内部温度的状态量都在(V5，V6)和(T1,T3)范围内DC-DC立刻开始输出；如果DC-DC的所有关键状态量都在正常范围内，之后根据DC-DC检测的小蓄电池电压，DC-DC会调整其输出电压值；最后，DC-DC根据内部检测的温度决定是否限制输出电流值。
一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，由于采用上述的结构，本发明可靠性高、反应速度快、使用安全、维护成本和故障率低；且更加适于应新能源汽车。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种用于新能源汽车的DC-DC变换器的电路图；
图2为本发明一种用于新能源汽车的DC-DC变换器的软件流程图。
具体实施方式
本发明为了避免传统DC-DC的种种弊端，对新能源汽车使能信号和低压供电信号做了冗余设计，提高了DC-DC工作的可靠性。关于小蓄电池亏电情况下的充电，传统DC-DC固定输出电压，所以小蓄电池亏电时DC-DC会以很大的电流给小蓄电池充电，为避免了大电流充电对小蓄电池的损伤，发明中DC-DC采用输出可调电压给小蓄电池充电。另外，传统DC-DC故障保护后无法读取其故障信息，所以给DC-DC的维护修理带来了极大不便，为了解决这一问题，DC-DC控制器内部供电电路还采用了的掉电保持电路，该电路使DC-DC延迟一段时间掉电，这段时间用来做故障信息的存储，以便后续故障信息的读取和有针对性的故障排除工作。本发明中DC-DC带有高压插件互锁功能，一旦高压插件接触不良或者被拔掉，整车高压会自动断电，以避免保护车内人员和维修人员被高压电击的可能，提高了用电安全。DC-DC还通过CAN实时地给整车控制器和仪表发送其状态信息，一旦DC-DC出现异常，驾驶员可以及时发现故障信息，从而避免了一些危险事件的发生。本发明提出的方法大大提高了DC-DC的可靠性、增加了行驶及用电安全以及降低了因DC-DC的维护、维修成本，且延长了小蓄电池的使用寿命等，这些优点非常有利于新能源汽车的进一步普及。
如图1所示，高压动力电池P1先连接到预充电盒(由预充电阻R1和高压继电器S1，S2组成)，再经过DC-DC的高压输入保险丝F1连接到DC-DC的高压输入侧。DC-DC的高压输入插件带有高压互锁端子H1，当高压插件插好后小蓄电池正极电压VCC通过H1端子再经R2、R3分压电阻产生A信号(高电平)给电池管理系统控制器BMS，然后BMS会输出B_1信号使继电器S2闭合，动力电池P1通过S2，R1给DC-DC输入侧预充电，当充电电压接近P1正极电压时，BMS输出B_2使继电器S1闭合同时B_1信号输出电平取反，从而使S2断开，这样DC-DC高压侧电压完成整个预充电过程。DC-DC内部电压供电KL30采用双路冗余设计，KL30通过保险丝F3直接连接到小蓄电池VCC上，低压辅助供电的负极直接也是两路冗余设计直接连接到小蓄电池的负极上。DC-DC的KL15信号直接连接到整车的钥匙信号上，当KL15为高电平时，DC-DC内部低压供电开关S3(例如：MOSFET、继电器等开关器件)闭合，这时DC-DC内部芯片开始进行初始化，完成后通过CAN_H和CAN_L线与整车CAN网络进行通讯，当接受到硬件使能信号Enable和/或CAN使能信号(两个信号使能DC-DC输出电压真值表，请见表1)，DC-DC立刻输出电压并通过保险丝F2给小蓄电池充电。表1列出了使能DC-DC输出的真值表：(表中1代表使能、0代表无使能信号)
| 序号 | CAN使能 | Enable | DC-DC是否输出 |
| 1 | 1 | 1 | DC-DC输出 |
| 2 | 1 | 0 | DC-DC输出 |
| 3 | 0 | 1 | DC-DC输出 |
| 4 | 0 | 0 | DC-DC停止输出 |
表1
如图2所示，驾驶人启动车辆时会发送钥匙信号KL15给DC-DC，这时DC-DC内部S3开关闭合，KL30电通过S3开关给DC-DC供低压电，其内部芯片开始进行软件初始化，之后DC-DC检测其内部温度、输出侧的电压及电流，如果检测值偏离正常范围，则DC-DC将具体的故障信息反馈给VMS和/或仪表，并反复检测，一旦检测全部正常则发送相关信息到CAN网络，之后整车高压继电器吸合，DC-DC通过低压供电线检测小蓄电池电压值为V2，当V3≥V2≥V1时DC-DC会设定输出电压目标值为(V＝V2+ΔV)。当V2电压小于V1时，DC-DC设定输出电压目标值为V1。当检测到的V2电压大于V3，则DC-DC设定目标电压值为V4。之后DC-DC一直处于等待状态，一旦DC-DC接收到CAN使能信号和/或Enable使能信号，DC-DC首先检测输入的高压电压及内部功率器件的温度是否在(V5，V6)和(T1，T3)范围内，如果不在范围内，DC-DC就一直反复检测并将故障信息(小于V5则是输入欠压故障；大于V6则是输入过压故障；温度大于T3则是过温保护)反馈给VMS和/或仪表。如果DC-DC输入电压及内部功率器件温度在(V5，V6)和(T1,T3)范围内则DC-DC开始输出，在输出的同时DC-DC会周期重复性检测其工作的关键状态信息(输入侧的电压和电流、输出侧的电压和电流、DC-DC内部功率器件的温度等)，一旦检测的状态量偏离正常值则DC-DC停止工作并将故障信息上传CAN和/或仪表，之后DC-DC再次检测输入电压和内部功率器件温度，如果检测值不在正常范围内则DC-DC反馈其具体的故障信息并周期性重复检测直到状态量，一旦检测到输入电压和内部温度的状态量都在(V5，V6)和(T1,T3)范围内DC-DC立刻开始输出。如果DC-DC的所有关键状态量(输入侧的电压和电流、输出侧的电压和电流、DC-DC内部功率器件的温度等)都在正常范围内，之后根据DC-DC检测的小蓄电池电压，DC-DC会调整其输出电压值(当检测的小蓄电池电压小于V1，则DC-DC输出电压为V1；当检测的小蓄电池电压V3≥V2≥V1，则DC-DC输出电压为V＝V2+ΔV；当检测的小蓄电池电压大于V3，则DC-DC输出电压为V4)。最后，DC-DC根据内部检测的温度决定是否限制输出电流值(当检测温度小于T2，则DC-DC可以最大电流输出；当检测温度大于等于T2，则DC-DC根据温度上升线性的下调其恒流点，直到温度达到最高T3时对应DC-DC输出电流为0)。
本发明将动力电池的高压电转换成整车低压用电器(例如：大灯、仪表、收音机等)用的低压电，通过DC-DC内部的变压器实现高低压的隔离，从而保证了低压用电的安全；DC-DC自身监控内部运行时的关键工作状态量(例如：输入电压、输入电流、功率器件的温度、输出电压、输出电流等)，所谓关键工作状态量是因为这些状态量的值超出正常范围时可能会直接导致DC-DC的核心器件——开关器件和/或磁性器件等元器件的损坏。当关键工作状态量超出规定值，DC-DC会立刻保护(停止输出或降功率输出)并将故障信息通过CAN上报整车控制器和/或仪表，从而及时为驾驶人员提供了警示信息，以便驾驶人员采取适当的措施来避免危险事件的发生(例如：看到DC-DC故障报警后，驾驶人员可以将车开到附近安全的地方排查故障，避免出现小蓄电池严重亏电造成电机突然失速、大灯和仪表突然熄灭等危险事件的发生)，一旦状态量恢复到正常范围则DC-DC自动恢复输出；DC-DC还通过输出电压可调的控制策略避免大电流对小蓄电池的损伤，当DC-DC内部功率器件温度达到一定值时，为了避免功率器件过热损坏，DC-DC采用了随温度线性降功率输出的策略。本发明DC-DC涉及的掉电保持电路在整车钥匙信号发出掉电指令后为DC-DC延迟一段供电时间，从而保证了最后的故障信息得以保存。本发明采用了控制信号、低压供电线及保险丝等冗余设计，另外DC-DC还采用输出可调电压、过温的限功率输出及故障的诊断、报警、自恢复等功能，所以应用本发明可以保证DC-DC的可靠性，对于应用本发明的新能源汽车则具有行驶安全性高、可靠性及安全性更高、维护便捷和维护成本低等特点。
发明中DC-DC的所有关键工作状态(输入电压值、输入电流值、功率器件温度、输出电压值、输出电流值)都做了监控与诊断。任何关键工作状态异常时都能及时关闭DC-DC输出，所以大大提高了DC-DC的可靠性。
发明中DC-DC高压输入、低压输出及低压输入侧都有相应的保险丝，在DC-DC自身保护失效且系统中存在异常大电流情况下，通过保险丝可以跟输入、输出侧断开，另外保险丝放置在外部保险丝盒内，从而大大提高了新能源汽车的可靠性及维护效率、降低了维护成本等。
发明中整车提供了预充电器件，动力电池高压先通过预充电电阻给DC-DC输入侧电容充电，当输入侧电压接近动力电池电压后再吸合继电器，这样避免了大电流对DC-DC输入侧电容的冲击，提高了DC-DC的可靠性。
发明中DC-DC输入插件带有高压互锁功能，高压插件中有一个短路端子，外部低压信号通过这个短路端子导通，一旦高压插件接触不良或插件被拔出，低压信号回路会自动断开，整车BMS(电池管理系统控制器)会自动切换高压输入，从而保证车内及维修人员的人身安全。
发明中DC-DC需要外部低压供电，供电是通过保险丝直接连接到小蓄电池上，正负供电线(KL30、KL30_GND)都采用了两根线供电的冗余设计，避免了单根线束接触不良和/或断开造成的DC-DC失效。
发明中的DC-DC的使能信号使用CAN使能和信号线使能的冗余设计，一旦信号线使能失效，通过CAN使能DC-DC还可以正常工作。因此，提高DC-DC的可靠性及整车行驶的安全性。
发明中的DC-DC低压供电内部采用了掉电保持电路，当DC-DC收到钥匙信号后会自动闭合内部低压供电开关(例如：MOSFET、继电器等)，这样大大减小了无钥匙开信号时DC-DC的静态电流，避免了车辆短时(例如：一个晚上)停放导致小蓄电池亏电的情况，提高了用户的满意度。另外，DC-DC在接收到钥匙关信号时内部掉电保持电路会延迟低压供电开关的断开，以保存DC-DC关断前的故障信息和状态信号，信息的存储为之后的故障分析及DC-DC的维修提供了极大便利。
发明中的DC-DC输出电压可调的控制策略，DC-DC开始输出前，DC-DC通过检测低压供电线上的电压来测量小蓄电池的电压，为了避免大电流对小蓄电池造成损失，DC-DC会保持一个较小的电压差一直给小蓄电池充电且随着小蓄电池电压的上升则DC-DC相应的提高输出电压直到小蓄电池充满。因此，采用输出电压固定电压差充电的策略避免大电流充电对小蓄电池的冲击，提高了小蓄电池的使用寿命和可靠性，同时也可以满足大负载工作时的大电流需求。
发明中DC-DC通过检测低压供电线上的电压来测量小蓄电池的电压，当DC-DC输出大电流时会在线束上产生较大的压降，DC-DC输出侧采集的电压值不能真实反映小蓄电池电压，因低压供电线束上的电流较小，所以从低压供电线束检测小蓄电池电压可以反映小蓄电池上的真实电压值。
发明中的DC-DC内部带有检测功率器件的温度传感器，当温度达到一定值时DC-DC会随温度的升高线性降低输出电流直到停止输出，通过此策略可以有效避免功率器件温度过高导致的器件失效和损坏，大大提供了DC-DC的使用寿命和可靠性。
发明中DC-DC具有恒流功能，当负载电流小于其恒流点时，DC-DC恒压输出，输出电流值等于负载电流。当负载电流大于其恒流点时，DC-DC输出电压下降，以保证其输出电流能稳定在恒流点输出，一旦输出电压小于欠压点电压，则DC-DC停止工作并上报欠压故障，因此避免了大负载对DC-DC的冲击，提高了DC-DC的可靠性和应用范围。
发明中的DC-DC内部通过软件和硬件同时对输入电压、输入电流、输出电压、输出电流及温度等关键状态量进行检测，因为硬件反应速度快，一旦关键状态量异常，会及时保护并停止DC-DC输出，因此提高了DC-DC工作的可靠性；同时，软件也会将关键状态量通过CAN上传整车控制器和/或仪表，从而为驾驶人员及时反馈了相关故障信息，以避免危险事件的发生，另外也为DC-DC的故障分析与维修提供了便利。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，其特征在于：所述的变换器包括高压动力电池P1先连接到预充电盒，再经过DC-DC的高压输入保险丝F1连接到DC-DC的高压输入侧；DC-DC的高压输入插件带有高压互锁端子H1，当高压插件插好后小蓄电池正极电压VCC通过H1端子再经电阻R2、R3分压电阻产生高电平信号给电池管理系统控制器BMS，电池管理系统控制器BMS控制继电器S2闭合，动力电池P1通过继电器S2、电阻R1给DC-DC输入侧预充电，当充电电压接近P1正极电压时，电池管理系统控制器BMS控制继电器S1闭合同时继电器S2断开，DC-DC高压侧电压完成整个预充电过程；DC-DC的KL15信号直接连接到整车的钥匙信号上，当KL15为高电平时，DC-DC内部低压供电开关S3闭合，DC-DC的内部芯片通过CAN_H和CAN_L线与整车CAN网络进行通讯，当接受到硬件使能信号Enable和/或CAN使能信号，DC-DC立刻输出电压并通过保险丝F2给小蓄电池充电；
所述的变换器在驾驶人启动车辆时会发送钥匙信号KL15给DC-DC，这时DC-DC内部S3开关闭合，KL30电通过S3开关给DC-DC供低压电，其内部芯片开始进行软件初始化，DC-DC检测其内部温度、输出侧的电压及电流，如果检测值偏离正常范围，则DC-DC将具体的故障信息反馈给VMS和/或仪表，并反复检测，一旦检测全部正常则发送相关信息到CAN网络，之后整车高压继电器吸合，DC-DC通过低压供电线检测小蓄电池电压值为V2，当V3≥V2≥V1时DC-DC会设定输出电压目标值为V＝V2+ΔV，当V2电压小于V1时，DC-DC设定输出电压目标值为V1；当检测到的V2电压大于V3，则DC-DC设定目标电压值为V4；之后DC-DC一直处于等待状态，一旦DC-DC接收到CAN使能信号和/或Enable使能信号，DC-DC首先检测输入的高压电压及内部功率器件的温度是否在(V5，V6)和(T1，T3)范围内，如果不在范围内，DC-DC就一直反复检测并将故障信息反馈给VMS和/或仪表；如果DC-DC输入电压及内部功率器件温度在(V5，V6)和(T1,T3)范围内则DC-DC开始输出，在输出的同时DC-DC会周期重复性检测其工作的关键状态信息，一旦检测的状态量偏离正常值则DC-DC停止工作并将故障信息上传CAN和/或仪表，之后DC-DC再次检测输入电压和内部功率器件温度，如果检测值不在正常范围内则DC-DC反馈其具体的故障信息并周期性重复检测直到状态量，一旦检测到输入电压和内部温度的状态量都在(V5，V6)和(T1,T3)范围内DC-DC立刻开始输出；如果DC-DC的所有关键状态量都在正常范围内，之后根据DC-DC检测的小蓄电池电压，DC-DC会调整其输出电压值；最后，DC-DC根据内部检测的温度决定是否限制输出电流值。
2.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，其特征在于：所述的预充电盒为预充电阻R1和高压继电器S1，S2组成。
3.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车的DC-DC变换器，其特征在于：所述的DC-DC内部电压供电KL30采用双路冗余设计，KL30通过保险丝F3直接连接到小蓄电池VCC上，低压辅助供电的负极为两路冗余直接连接到小蓄电池的负极上。
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