CN105978355A - 一种电动汽车车载dc/dc装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动汽车车载DC/DC装置，包括DSP控制电路单元以及串联连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，高压直流电接入到BUCK降压及稳压电路单元后，在DSP控制电路单元的控制下，经过BUCK降压及稳压电路单元转变为低压直流输出，并进入到全桥电路单元；在DSP控制电路单元的控制下，进入到全桥电路单元的直流电做DC/DC变换后输出相应的低压直流电，并最终通过输出电路输出给外接设备，DSP控制电路单元同时实现对BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的闭环控制，本发明电路特点结构简单，重量轻，效率高，输出动态响应速度快。

Description

一种电动汽车车载DC/DC装置
[技术领域]
本发明涉及电路控制和处理技术领域，尤其涉及一种结构简单，重量轻，效率高，输出电压纹波小，输出动态响应速度快的电动汽车车载DC/DC装置。
[背景技术]
电动汽车由于其环保、节能、低噪音等优点逐渐成为有效安全的交通工具，保障电动汽车低压控制系统供电，电动汽车DCDC电源作为电动汽车电控系统不可或缺的配套产品也得到了极大的发展。
在开关电源控制方法中，峰值电流控制方法有着电压模式控制方法无法比拟的优点而得到了非常广泛的应用，成为主流控制方法；传统的峰值电流控制方法是固定频率，调节脉宽的PWM控制方式，例如固定时钟开启、峰值电流关闭控制模式等。但是这种峰值电流PWM控制方式有着固有的缺点，当占空比大于50％时，存在内环电流环工作不稳定的问题，需要斜坡补偿模块才能保证系统的稳定。
此外，现有DCDC模块都具备恒压和恒流两种工作模式，当两种工作模式切换时，动态响应波动会很大。
基于上述存在的问题，为了设计出效率高，输出电压纹波小，输出动态响应速度快的电路系统，本领域的技术人员进行了有针对性的研究和实验，并取得了较好的成绩。
[发明内容]
为克服现有技术所存在的问题，本发明提供一种结构简单，重量轻，效率高，输出电压纹波小，输出动态响应速度快的电动汽车车载DC/DC装置。
本发明解决技术问题的方案是提供一种电动汽车车载DC/DC装置，包括DSP控制电路单元以及依次连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元之间连接用于采集BUCK降压及稳压电路单元电流信号的第一采样单元，DSP控制电路单元与全桥电路单元之间连接用于采集全桥电路单元输出电压信号的第二采样单元；所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元之间连接有一驱动单元；
所述高压直流电接入到BUCK降压及稳压电路单元后，经过BUCK降压及稳压电路单元转变为低压直流输出，并进入到全桥电路单元；进入到全桥电路单元的直流电做DC/DC变换后输出相应的低压直流电，并通过输出电路输出给外接设备；
所述DSP控制电路单元根据第一采样单元采集到的BUCK降压及稳压电路单元的输出电流信息以及第二采样单元采集到的全桥电路单元的输出电压信息进行电压内环、电流外环的数据处理并输出PWM驱动波信号到所述驱动单元，驱动单元接收到PWM驱动波信号后分别传输驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元，调整BUCK降压及稳压电路单元的占空比以达到稳定输出电压的目的。
优选地，所述DSP控制电路单元包括电流环控制器和电压环控制器，电流环控制器根据输入电流信息以及预设的给定电流信息进行对应电流控制并输出调节后的电流环电流；电压环控制器根据第二采样单元采集的全桥电路单元的输出电压信息做PI(Proportional Integral，比例积分)算法处理并对全桥电路单元电路进行调节，以稳定输出电压。
优选地，所述BUCK降压及稳压电路单元的输入端与EMC电磁兼容性电路连接；所述BUCK降压及稳压电路单元包括第一二极管电路和第一电容电路，所述第一二极管电路中二极管的负极与该第一二极管电路的输入端连接；在所述第一二极管电路和第一电容电路的输入端之间电性连接有至少一个电
感；所述第一二极管电路的输入端与EMC电磁兼容性电路的输出端之间连接一MOS管，且第一二极管电路的输入端与MOS管的源极相连，EMC电磁兼容性电路的输出端与MOS管的漏极相连；
所述BUCK降压及稳压电路单元的输出端与全桥电路单元相连；所述全桥电路单元包括两条第一MOS管电路、第一共模电感电路、两条第二二极管电路以及一第二电容电路，所述各第一MOS管电路包括两个通过漏极和源极首尾相连接的MOS管；第一共模电感电路的两条输入线分别与一第一MOS管电路连接，且第一共模电感电路的输入线与各第一MOS管电路的接入点位于对应的第一MOS管电路的两MOS管之间；
所述各第二二极管电路包括两个连接方向相同的二极管，所述二极管的负极与第二二极管电路的输入端相连；第一共模电感电路的两条输出线分别与一第二二极管电路连接，且第一共模电感电路的输出线与各第二二极管电路的接入点位于对应的第二二极管电路的两二极管之间；
所述第二电容电路的输入端与各第二二极管电路的输入端相连，第二电容电路的输出端与各第二二极管电路的输出端相连。
优选地，所述EMC电磁兼容性电路包括第三电容电路、第四电容电路以及连接于第三电容电路和第四电容电路之间的第二共模电感电路；第三电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输入线相连；第四电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输出线相连；第三电容电路包括一个电容，第四电容电路包括两个串联连接的电容；且第四电容电路中的两个电容之间通过电性连接线接地。
优选地，所述DSP控制电路单元中还设置有过载保护单元；过载保护单元对电路的电压、电流进行过载保护，当电压、电流超过规定数值时，发送断电保护信号给驱动单元，驱动单元接收信号后传输对应驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元。
优选地，所述驱动单元包括BUCK驱动单元和全桥驱动单元，BUCK驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给对应的BUCK降压及稳压电路单元调整系统占空比，全桥驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给全桥电路单元调整输出电压。
优选地，所述全桥电路单元中各MOS管的开关频率为100KHz。
优选地，所述外接设备为电动汽车设备。
与现有技术相比，本发明一种电动汽车车载DC/DC装置通过设置DSP控制电路单元以及串联连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，并通过DSP控制电路单元同时实现对BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的闭环控制，由于DSP控制电路单元能够根据电源负载变化和输出电压的变化高效、可靠地调整BUCK降压及稳压电路单元的输出电压，使车载DCDC模块的效率高达到94％以上，与采用前后两级同时控制技术或者双电路板控制方案相比，硬件电路结构更加简单，提高了电路的可靠性,且所需信号均由DSP控制电路单元直接采样后处理，也提高了本发明的实时性以及可操作性，本设计结构简单，重量轻，效率高，输出动态响应速度快。
[附图说明]
图1是本发明一种电动汽车车载DC/DC装置的工作原理框架示意图。
图2是本发明一种电动汽车车载DC/DC装置的电路连接结构示意图。
图3是本发明一种电动汽车车载DC/DC装置中DSP控制电路单元的双环控制电路连接示意图。
[具体实施方式]
为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定此发明。
请参阅图1至图3，本发明一种电动汽车车载DC/DC装置包括DSP控制电路单元以及依次连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元之间连接用于采集BUCK降压及稳压电路单元电流信号的第一采样单元，DSP控制电路单元与全桥电路单元之间连接用于采集全桥电路单元输出电压信号的第二采样单元；所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元之间连接有一驱动单元；
所述高压直流电接入到BUCK降压及稳压电路单元后，经过BUCK降压及稳压电路单元转变为低压直流输出，并进入到全桥电路单元；进入到全桥电路单元的直流电做DC/DC变换后输出相应的低压直流电，并通过输出电路输出给外接设备；
所述DSP控制电路单元根据第一采样单元采集到的BUCK降压及稳压电路单元的输出电流信息以及第二采样单元采集到的全桥电路单元的输出电压信息进行电压内环、电流外环的数据处理并最终输出PWM驱动波信号到所述驱动单元，驱动单元接收到PWM驱动波信号后分别传输驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元，调整BUCK降压及稳压电路单元的占空比以达到稳定输出电压的目的。
通过设置DSP控制电路单元以及串联连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，并通过DSP控制电路单元同时实现对BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的闭环控制，由于DSP控制电路单元能够根据电源负载变化和输出电压的变化高效、可靠地调整BUCK降压及稳压电路单元的输出电压，使车载DCDC模块的效率高达到94％以上，与采用前后两级同时控制技术或者双电路板控制方案相比，硬件电路结构更加简单，提高了电路的可靠性,且所需信号均由DSP控制电路单元直接采样后处理，也提高了本发明的实时性以及可操作性，本设计结构简单，重量轻，效率高，输出动态响应速度快。
优选地，所述DSP控制电路单元包括电流环控制器和电压环控制器，电流环控制器根据输入电流信息以及预设的给定电流信息进行对应电流控制并输出调节后的电流环电流；电压环控制器根据第二采样单元采集的全桥电路单元的输出电压信息做PI(Proportional Integral，比例积分)算法处理并对全桥电路单元电路进行调节，减小全桥电路单元电路的输出电压纹波，驱动全桥电路，并最后达到稳定输出电压。
图3中Iref表示预设的给定电流信息，If表示反馈电流(输入电流信息)，Gcur_ctrl(s)表示电流环控制器，Ictrl表示电流环电流输出，Uref表示预设的给定电压信息，Uf表示反馈电压信号(全桥电路单元的输出电压信息)，Gvol_ctrl(s)表示电压环控制器，Gd(s)表示控制对象(控制对象包括BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元)，Uout表示输出电压，H(s)表示采集单元的采样环节。为了满足恒压恒流模式切换时更快，更平稳的动态响应，控制单元采用此外环电流环、内环电压环的结构。
优选地，所述BUCK降压及稳压电路单元的输入端与EMC电磁兼容性电路连接；所述BUCK降压及稳压电路单元包括第一二极管电路和第一电容电路，所述第一二极管电路中二极管的负极与该第一二极管电路的输入端连接；在所述第一二极管电路和第一电容电路的输入端之间电性连接有至少一个电感；所述第一二极管电路的输入端与EMC电磁兼容性电路的输出端之间连接一MOS管，且第一二极管电路的输入端与MOS管的源极相连，EMC电磁兼容性电路的输出端与MOS管的漏极相连；
所述BUCK降压及稳压电路单元的输出端与全桥电路单元相连；所述全桥电路单元包括两条第一MOS管电路、第一共模电感电路、两条第二二极管电路以及一第二电容电路，所述各第一MOS管电路包括两个通过漏极和源极首尾相连接的MOS管；第一共模电感电路的两条输入线分别与一第一MOS管电路连接，且第一共模电感电路的输入线与各第一MOS管电路的接入点位于对应的第一MOS管电路的两MOS管之间；
所述各第二二极管电路包括两个连接方向相同的二极管，所述二极管的负极与第二二极管电路的输入端相连；第一共模电感电路的两条输出线分别与一第二二极管电路连接，且第一共模电感电路的输出线与各第二二极管电路的接入点位于对应的第二二极管电路的两二极管之间；
所述第二电容电路的输入端与各第二二极管电路的输入端相连，第二电容电路的输出端与各第二二极管电路的输出端相连。
优选地，所述EMC电磁兼容性电路包括第三电容电路、第四电容电路以及连接于第三电容电路和第四电容电路之间的第二共模电感电路；第三电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输入线相连；第四电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输出线相连；第三电容电路包括一个电容，第四电容电路包括两个串联连接的电容；且第四电容电路中的两个电容之间通过电性连接线接地。
优选地，所述DSP控制电路单元中还设置有过载保护单元；过载保护单元对电路的电压、电流进行过载保护，当电压、电流超过规定数值时，发送断电保护信号给驱动单元，驱动单元接收信号后传输对应驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元，达到断电保护的目的。除了电源主电路本身控制，输入过欠压保护、输出过欠压保护、过流保护、短路保护、前级的BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元过温保护等功能均是由DSP控制电路单元实现的。
优选地，所述DSP控制电路单元可根据不同的应用场合选取恒流输出模式以及恒压输出模式，并可在该所述两种输出模式之间灵活切换。实际工作过程中，输入高压直流电到BUCK降压及稳压电路单元，DSP控制电路单元通过采样单元采集输出电压电流数据，通过电压内环，电流外环的控制方法，输出PWM驱动波到驱动单元，以调整母线电压，母线电压再输入到全桥电路单元，稳定输出电压，并根据实际情况实现恒压/恒流切换。
优选地，所述驱动单元包括BUCK驱动单元和全桥驱动单元，DSP控制电路单元接收到来自BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的数据信息后进行电压内环、电流外环的数据处理并最终分别输出PWM驱动波到所述驱动单元的BUCK驱动单元和全桥驱动单元，BUCK驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给对应的BUCK降压及稳压电路单元调整系统占空比，全桥驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给全桥电路单元调整输出电压，达到稳定输出电压的效果。
优选地，所述DSP控制电路单元可控制MOS管的开通关断，达到安全高效的控制MOS管，有效的保MOS管正常工作，也能使变压器的电感充分放电。
优选地，所述全桥电路单元中各MOS管的开关频率为100KHz。
优选地，所述外接设备为电动汽车设备。
本发明一种电动汽车车载DC/DC装置中DSP控制电路单元能够根据电源负载变化和输出电压的变化高效、可靠地调整BUCK降压及稳压电路单元的输出电压，使车载DCDC模块的效率高达到94％以上，同时此DCDC电路装置不仅结构紧凑，而且重量轻，动态响应快，控制方法简单,DSP控制电路单元同时实现对BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的闭环控制，与采用前后两级同时控制技术或者双电路板控制方案相比，硬件电路结构更加简单，提高了电路的可靠性,且所需信号均由DSP控制电路单元直接采样后处理，也提高了本发明的实时性以及可操作性。相应地，本发明一种电动汽车车载DC/DC装置可根据不同的应用场合选取相应的输出模式，提高了DC/DC模块的使用效率，对DC/DC模块使用效率的提升其实就等同于使用成本的降低。与此同时，由于本发明一种电动汽车车载DC/DC装置的功率变换控制器部分采用电流外环、电压内环的双环控制模式，这样的设计可以极大的降低输出纹波、提高动态性能和短路保护速度，这些性能的提高对整个变电站的可靠性运行至关重要。
与现有技术相比，本发明一种电动汽车车载DC/DC装置通过设置DSP控制电路单元以及串联连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，并通过DSP控制电路单元同时实现对BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元的闭环控制，由于DSP控制电路单元能够根据电源负载变化和输出电压的变化高效、可靠地调整BUCK降压及稳压电路单元的输出电压，使车载DCDC模块的效率高达到94％以上，与采用前后两级同时控制技术或者双电路板控制方案相比，硬件电路结构更加简单，提高了电路的可靠性,且所需信号均由DSP控制电路单元直接采样后处理，也提高了本发明的实时性以及可操作性，本设计结构简单，重量轻，效率高，输出动态响应速度快。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：包括DSP控制电路单元以及依次连接的BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元和输出电路，所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元之间连接用于采集BUCK降压及稳压电路单元电流信号的第一采样单元，DSP控制电路单元与全桥电路单元之间连接用于采集全桥电路单元输出电压信号的第二采样单元；所述DSP控制电路单元和BUCK降压及稳压电路单元、全桥电路单元之间连接有一驱动单元；
所述高压直流电接入到BUCK降压及稳压电路单元后，经过BUCK降压及稳压电路单元转变为低压直流输出，并进入到全桥电路单元；进入到全桥电路单元的直流电做DC/DC变换后输出相应的低压直流电，并通过输出电路输出给外接设备；
所述DSP控制电路单元根据第一采样单元采集到的BUCK降压及稳压电路单元的输出电流信息以及第二采样单元采集到的全桥电路单元的输出电压信息进行电压内环、电流外环的数据处理并输出PWM驱动波信号到所述驱动单元，驱动单元接收到PWM驱动波信号后分别传输驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元，调整BUCK降压及稳压电路单元的占空比以及全桥电路单元输出电压。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述DSP控制电路单元包括电流环控制器和电压环控制器，电流环控制器根据输入电流信息以及预设的给定电流信息进行对应电流控制并输出调节后的电流环电流；电压环控制器根据第二采样单元采集的全桥电路单元的输出电压信息做PI(Proportional Integral，比例积分)算法处理并对全桥电路单元电路进行调节，减小全桥电路单元电路的输出电压纹波。
3.如权利要求2所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述BUCK降压及稳压电路单元的输入端与EMC电磁兼容性电路连接；所述BUCK降压及稳压电路单元包括第一二极管电路和第一电容电路，所述第一二极管电路中二极管的负极与该第一二极管电路的输入端连接；在所述第一二极管电路和第一电容电路的输入端之间电性连接有至少一个电感；所述第一二极管电路的输入端与EMC电磁兼容性电路的输出端之间连接一MOS管，且第一二极管电路的输入端与MOS管的源极相连，EMC电磁兼容性电路的输出端与MOS管的漏极相连；
所述BUCK降压及稳压电路单元的输出端与全桥电路单元相连；所述全桥电路单元包括两条第一MOS管电路、第一共模电感电路、两条第二二极管电路以及一第二电容电路，所述各第一MOS管电路包括两个通过漏极和源极首尾相连接的MOS管；第一共模电感电路的两条输入线分别与一第一MOS管电路连接，且第一共模电感电路的输入线与各第一MOS管电路的接入点位于对应的第一MOS管电路的两MOS管之间；
所述各第二二极管电路包括两个连接方向相同的二极管，所述二极管的负极与第二二极管电路的输入端相连；第一共模电感电路的两条输出线分别与一第二二极管电路连接，且第一共模电感电路的输出线与各第二二极管电路的接入点位于对应的第二二极管电路的两二极管之间；
所述第二电容电路的输入端与各第二二极管电路的输入端相连，第二电容电路的输出端与各第二二极管电路的输出端相连。
4.如权利要求3所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述EMC电磁兼容性电路包括第三电容电路、第四电容电路以及连接于第三电容电路和第四电容电路之间的第二共模电感电路；第三电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输入线相连；第四电容电路的输入端和输出端分别与第二共模电感电路的两输出线相连；第三电容电路包括一个电容，第四电容电路包括两个串联连接的电容；且第四电容电路中的两个电容之间通过电性连接线接地。
5.如权利要求2所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述DSP控制电路单元中还设置有过载保护单元；过载保护单元对电路的电压、电流进行过载保护，当电压、电流超过规定数值时，发送断电保护信号给驱动单元，驱动单元接收信号后传输对应驱动信号给BUCK降压及稳压电路单元和全桥电路单元。
6.如权利要求5所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述驱动单元包括BUCK驱动单元和全桥驱动单元，BUCK驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给对应的BUCK降压及稳压电路单元调整系统占空比，全桥驱动单元接收到PWM驱动波信号后传输驱动信号给全桥电路单元调整输出电压。
7.如权利要求3所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述全桥电路单元中各MOS管的开关频率为100KHz。
8.如权利要求1所述的一种电动汽车车载DC/DC装置，其特征在于：所述外接设备为电动汽车设备。
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