CN107379969A - 混合动力车用大功率48v到12v直流电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率、高可靠性、小体积的48V/12V DC‑DC转换器。它包括降压模块和电子开关模块两个核心模块，所述的降压模块包括Block1、Block2和Block3三个电路模块，每个电路模块包含两个Buck/Boost降压/升压单元，每个单元使用一个独立的H桥驱动器驱动相应MOS管，降压模块还包括一个故障检测电路，数字信号处理器DSP；降压模块还设有供电单元PSU1；电子开关模块包括三路电子开关和另一个故障检测电路，MCU处理器；每路电子开关由两个MOS管电路组成，每路电子开关对应有一个独立的驱动器，每个驱动器的输入端均连接到MCU处理器；降压模块还设有内部供电单元PSU2；所述的电子开关模块中还包含用于与其它电子控制单元进行通信CAN总线接口。

Description

混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器
技术领域
本发明涉及一种汽车电子零件，具体是指一种混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器。
背景技术
目前，在汽车混合动力技术中，带有48V电动机/发动机及电池的混合动力车开始普及。该类型汽车具有良好的油电混合性能，具体表现在以下几个方面。
首先，电动机/发动机工作电压为48V，比较原有12V系统有明显提高。这样，可以提高电动机/发动机的工作效率，减少原有12V系统的线路损耗，同时降低车身重量。其次，由于电动机/发动机工作电压为48V，对人体而言在安全电压范围内，相比工作于高压(300V以上)的混合动力车或纯电动汽车，具有更好的安全性。最后，根据相关的一些汽车油耗测试数据报告，该类型混合动力汽车的节能效果在15％左右，具有明显的节能效果。
当汽车加速需要瞬时功率输出时，可以由汽油发动机和48V电动机共同提供输出动力；当汽车刹车或滑行时，可以由48V发电机回收能量并储存在48V电池中。一般而言，将发电机/电动机集成为一体设计，便于装配和降低成本。随着48V系统的混合动力车不断投放市场，必将为汽车的节能减排以及实施更高的汽车排放法规，起到极大的推动作用。
在48V系统的混合动力车中，存在48V和12V两种电源，汽车在运行过程中，这两种电源需要相互传输能量。48V系统发电机产生的48V直流电源，需要降压转换成12V电源，以供给12V汽车电器使用，例如动力系统、转向系统、车身系统等等。
本专利申请的发明人通过实践发现，现有技术中的电源转换器存在输出功率小，散热效果差，存在短路风险，可靠性低，体积较大等不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种大功率、高可靠性、小体积，完全可以满足48V系统混合动力汽车的功率转换要求的混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器，其特征在于：它包括降压模块和电子开关模块，所述的降压模块包括Block1、Block2和Block3三个电路模块，每个电路模块包含两个Buck/Boost降压/升压单元，总共六个Buck/Boost降压/升压单元电路通过六相交织模式相连，且相邻两相的相位差为600；同时针对六个Buck/Boost降压/升压单元电路，使用六个独立的H桥驱动器驱动相应MOS管，H桥驱动器输入端连接到数字信号处理器DSP；所述的降压模块还包括用于检测Buck/Boost降压/升压单元电路的故障信息的第一故障检测电路，第一故障检测电路发现故障后首先进行硬件故障保护，同时提供故障信息给数字信号处理器DSP；DSP处理器通过I2C接口或SPI接口连接到MCU处理器；降压模块还设有仅为该模块自身供电的内部供电单元PSU1；
所述的电子开关模块包括三路电子开关和第二故障检测电路，每路电子开关由两个MOS管电路组成，一共六个MOS管电路依次命名为：SW1-SW6，每路电子开关对应有一个独立的驱动器，每个驱动器的输入端均连接到MCU处理器；所述的第二故障检测电路用于检测SW1-SW6电路的故障信息，发现故障后首先进行硬件故障保护，同时提供故障信息给处理器MCU；12V电源的输出端设有EMC部件，用于满足汽车厂对于电子零部件的电磁兼容要求。特别指出的是，降压模块还设有仅为该模块自身供电的内部供电单元PSU2；所述的电子开关模块中还包含用于与其它电子控制单元进行通信CAN总线接口。
作为优选，48V电源输入端设有EMC部件。
作为优选，12V电源输出端设有EMC部件。
作为优选，针对48V短路到12V危害，所述的降压模块的安全等级设计为ASIL B，所述的电子开关模块的安全等级也设计为ASIL B，所述的降压模块和电子开关模块串联支持安全等级为ASIL D。
采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：
如图2所述，本发明给出了6相交织Buck/Boost电路的负反馈控制原理。输出12V电压经过低通滤波器LPF1接入DSP处理器，即连接到DSP内部模数转换模块ADC1。模数转换模块的输出端连接到一个内部运算放大器的负极，该运算放大器的正极接入参考电压，运算放大器的输出为误差值。该运算放大器的输出端连接到数字补偿网络，由数字补偿网络针对Power Network(即6相交织Buck/Boost)电路的传输特性，提供负反馈控制算法，其输出值用于控制PWM脉冲。
同时，本发明还针对48V输入端电压变化，给出了Power Network(即6相交织Buck/Boost)电路的前馈控制原理。输入端电压经过低通滤波器LPF2接入DSP处理器，即连接到DSP内部模数转换模块ADC2。模数转换模块的输出端连接到一个运算放大器的负极，该运算放大器的正极接入参考电压，运算放大器的输出为误差值。该运算放大器的输出端连接到自动增益控制AGC网络，由AGC网络针对输入端电压变化提供前馈控制算法，其输出值用于控制PWM脉冲。前馈控制的优点在于针对输入电压变化，可以及时调整PWM控制脉冲，使得输出电压对输入电压的变动具有良好抑制效果。
综上所述，本发明中涉及的48V/12V DC-DC转换器能提供高达2000W的输出功率，无风机自然空气对流散热。在整体安全功能设计上，针对48V电源短路到12V电源的风险，其功能安全等级为ASIL D。另外，该零件还包含CAN总线接口，利用它可以与其它电子控制单元进行通信，如信息交换、故障诊断、程序下载、网络管理等，为该部件的实际使用提供了丰富的软硬件支持环境。
附图说明
图1是本发明中涉及的48V到12V直流电源转换器的工作原理示意图。
图2是本发明中涉及的48V到12V直流电源转换器的控制原理示意图。
图3是本发明中涉及的48V到12V直流电源转换器的脉冲宽度调制PWM控制示意图。
图4是本发明中涉及的48V到12V直流电源转换器的模型构建过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一种大功率、高可靠性、小体积的48V/12V DC-DC转换器，它包括48V/12V的DC-DC降压模块(附图1中采用深色点划线方块标识的部分)和电子开关模块(附图1中采用无色虚线方块标识的部分)两部分。48V/12V的DC-DC降压模块包含：6个多相交织的Buck/Boost电路、驱动电路Driver、故障检测电路Detection、数字信号处理器DSP、电源供电电路PSU1、输入EMC电路等。所有这些电路依据其工作原理被相互连接在一起，共同完成48V/12V DC-DC转换器之功能。数字信号处理器DSP，具备AD采样接口、PWM接口、GPIO接口、CAN通信接口、I2C通信接口、SPI通信接口、RS232通信接口等。
本发明在具体实施时，为实现如图1中2000W大功率的降压电路功能，同时考虑到零件的小型化与散热要求，采用多路交织的降压电路拓扑。如多路交织数目为N，则相邻单路降压电路之间的相移就为2π/N。图3是48V/12V DC-DC转换器的脉冲宽度调制PWM控制示意图，依据该工作时序可以使该电路工作在多相交织模式。多相交织的降压电路设计要符合ASIL B准则，所用电子零件如MOS管、电感、驱动器、DSP等，都必须符合相应的认证要求。多相交织的降压电路的整体工作频率在1Mhz左右，单路降压电路的工作频率在1Mhz/N左右，这样可以同时满足MOS管开关功耗与直流导通功耗的最小化，同时使得零件的小型化与均匀散热成为可能。另外，整个电路的输出电压纹波比较单路降压电路的输出电压纹波至少压缩N倍以上。
该48V/12V DC-DC转换器主要实现48V到12V的降压功能，但也具备12V到48V的升压功能，升压功能仅使用在轻载工况。
为实现如图1中降压电路控制功能，采用以数字信号处理器DSP为核心的双环控制模式，即输出电压负反馈控制与输入电压前馈控制。
输出电压负反馈控制如图2所述，输出12V端口电压经过低通滤波器LPF1接入DSP处理器，即连接到DSP内部模数转换模块ADC1。LPF1的主要作用是作为反交叠滤波器使用，以保证AD采样数据不会失真。模数转换模块的输出端连接到一个运算放大器的负极，该运算放大器的正极接入参考电压如标准12V，运算放大器的输出为误差值。该误差值传送到数字补偿网络，由数字补偿网络针对Power Network(即6相交织Buck/Boost)电路的传输特性，提供补偿传递函数作为负反馈控制算法，其输出值用于控制PWM脉冲。
输入电压前馈控制如图2所述，主要针对48V输入端电压变化进行快速调整，因为负反馈控制的延时较大。将输入端电压经过低通滤波器LPF2接入DSP处理器，即连接到DSP内部模数转换模块ADC2。同样，LPF2的主要作用是作为反交叠滤波器使用，以保证AD采样数据不会失真。模数转换模块的输出端连接到一个运算放大器的负极，该运算放大器的正极接入参考电压，运算放大器的输出为误差值。将该误差值送到自动增益控制AGC网络，由AGC网络针对输入端电压变化提供前馈控制算法，其输出值同样用于控制PWM脉冲。前馈控制的优点在于针对输入电压变化，可以及时调整PWM控制脉冲，使得系统对输入电压的变化具有良好抑制效果。
为实现图2中数字补偿网络的具体参数，应按照以下规则来操作。首先根据小信号分析或实际测量确定Power Network(即6相交织Buck/Boost)电路的幅频、相频特性，得到一个涵盖不同工况点的曲线族{Hi(S),i＝1,2,...}。然后，根据控制系统稳定原理来构造拉普拉斯频率域的补偿网络{Ci(S),i＝1,2,...}，并求得满足上述整个曲线族的最佳传递函数C(S)。把拉普拉斯频域的补偿网络利用数字信号处理技术转换到Z域得到C(z)，并进而得到可供DSP运算的数字差分方程。依据该数字差分方程，利用数字信号处理器DSP的高速计算能力，可以计算出驱动信号的具体PWM数值。整个模型建构过程如图4所示。
本发明在具体实施时，为实现如图1中电子开关模块功能，并使其安全等级符合ASIL B要求，所涉及电路包括3路电子开关，每路电子开关由2个MOS管组成。针对3路电子开关电路，使用3个独立的驱动器Driver驱动MOS管，驱动器输入端连接到通用处理器MCU。故障检测电路Detection检测SW1-SW6电路的故障信息，发现故障后首先进行硬件故障保护，同时提供故障信息给MCU，MCU根据故障类型进行相应的处理。MCU处理器与DSP处理器之间的通信接口采用I2C接口或SPI接口。12V输出端设有EMC部件，用于满足汽车厂对于电子零部件的电磁兼容要求。特别指出的是，DC-DC降压模块的内部供电单元PSU2仅仅为该模块自身供电，以确保供电电路的独立性并满足该模块安全等级ASIL B要求。另外，在电子开关模块中还包含CAN总线接口，利用它可以与其它电子控制单元进行通信，如信息交换、故障诊断、程序下载、网络管理等。通用处理器MCU，具备AD采样接口、GPIO接口、CAN通信接口、I2C通信接口、SPI通信接口、RS232通信接口等。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明分为48V/12V的DC-DC降压模块和电子开关模块2部分，在整体安全功能设计上，针对48V电源短路到12V电源的风险，其功能安全等级为ASIL D。
本发明利用了DSP处理器内部高速PWM模块来进行降压调整，同时进行调整的电路为N路，使得输出电流是单路电路的N倍，在加大驱动负载能力的同时，也减轻了输出电压的纹波，缩小了整个零部件的体积，方便内部元器件散热，延长了硬件的使用寿命。
本发明在Power Network(即6相交织Buck/Boost)电路控制算法中使用了自动控制理论中的负反馈环路稳定原理。如图4所示，首先通过小信号分析或利用频率响应分析仪研究系统的开环特性，根据所得增益—频率、相位---频率特性，利用MATLAB对所得开环系统的特性曲线设计相应补偿网络。根据负反馈环路稳定的条件：其一在穿越频率处，系统总开环相移必须小于360度，包括负反馈带来的180度相移。一般相位余量至少要大于45度。其二在穿越频率处，增益的斜率应该为-1。依据这2个要素设计出负反馈网络的拉普拉斯域补偿函数C(s)，进而由该拉普拉斯域补偿函数推导Z域的传递函数C(z)，并最终推出其差分方程表达式。然后，利用DSP处理器来计算差分方程，得到6路PWM控制输出。
本发明在Buck/Boost电路控制算法中使用了自动增益控制AGC的前馈控制原理。输入电压前馈控制如图2所述，针对48V输入端电压变化，输入端电压经过低通滤波器LPF2接入DSP处理器，即连接到DSP内部模数转换模块ADC2。模数转换模块的输出端连接到一个运算放大器的负极，该运算放大器的正极接入参考电压，运算放大器的输出为误差值。该运算放大器的输出端连接到自动增益控制AGC网络，由AGC网络针对输入端电压变化提供前馈控制算法，其输出值用于控制PWM脉冲。
本发明支持多种通信接口，支持标准的汽车通信网络CAN2.0A/B，同时支持I2C或SPI芯片间接口。本发明也支持UART串行外设接口通信，使得部件可以和PC机的串口相连，通过PC机的上位机界面，可以直观和实时地读取该零件相关的状态参数和控制状况。
综上所述，本发明具有如下突出特点：该48V/12V DC-DC转换器能提供高达2000W的输出功率，无风机自然空气对流散热。在整体安全功能设计上，针对48V电源短路到12V电源的风险，其功能安全等级设计为ASIL D。另外，该零件还包含CAN总线接口，利用它可以与其它电子控制单元进行通信，如信息交换、故障诊断、程序下载、网络管理等，为该部件的实际使用提供了丰富的软硬件支持环境。
本发明所用的核心控制器件包括通用处理器MCU和数字信号处理器DSP，每个处理器的主要特点介绍如下。
以下是数字信号处理器DSP主要特点。
AD模数转换采样模块：10位分辨率的模数转换采样提供了精确的信号获取能力，增加了整个控制环路的精准性，如电压值、温度值等。
高速PWM模块：基于40Mhz时钟系统，死区、相移、频率分辨率为1.04纳秒，8个PWM输出具有独立的限流输入功能，多相PWM改善了直流/直流转换器负载的瞬态响应，以及减小输出滤波电容和电感的体积。利用所提供限流保护引脚，更方便的控制PWM信号并保护整个环路的安全。
UART模块：异步串行通信接口，便于与PC机等设备相连接，可实时监测所有状态数据的变化，方便调试时观察数据使用。
CAN模块：用于汽车电子网络CAN2.0A/B的通信。
SPI模块：串行通信接口，负责和通用处理器MCU之间的数据通信。
I2C模块：串行通信接口，负责和通用处理器MCU之间的数据通信。
DSP处理模块：DSP具有24位指令字，指令字带有长度可变的操作码字段。程序计数器(Program Counter，PC)为23位宽，可以寻址最大4M x 24位的用户程序存储空间。
DSP引擎模块：DSP引擎具有一个高速17位x 17位乘法器、一个40位ALU、两个40位饱和累加器和一个40位双向桶形移位寄存器。该桶形移位寄存器能在单个周期内将一个40位的值右移或左移最多16位。DSP指令可以无缝地与所有其他指令一起操作，且设计为能获得最佳实时性能。
以下是通用处理器MCU的主要特点。
AD模数转换采样模块：10位分辨率的模数转换采样提供了精确的信号获取能力，增加了通用处理器MCU控制的精准性，如电压值、温度值等。
SPI模块：串行通信接口，负责和数字信号处理器DSP之间的数据通信。
I2C模块：串行通信接口，负责和数字信号处理器DSP之间的数据通信。
CAN模块：用于汽车电子网络的通信接口CAN2.0A/B，支持标准帧和扩展帧两种模式，0-8字节数据长度，可编程位速率高达1Mbps。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
该48V/12V DC-DC转换器的功率为2000W，无风机自然空气对流散热。另外，由于该DC-DC转换器涉及动力与转向系统，故功能安全等级要求非常高为ASIL D。按照ASIL D的标准，该转换器的硬件随机失效率应小于10-8，单点故障指标为99％，潜在故障指标为90％。
另外在附图1和附图2标记的处理中，为了让附图更加简明，对各个部件或电路采用了英文标识进行简化处理，关于附图1和附图2中的英文标识对应的中文释义的特别说明如下：
附图1中：
EMC：电磁兼容部件
Block:电路单元
SW：开关电路
ASIL:汽车安全完整性等级
Buck/Boost：降压/升压
Buck/Boost Faults：降压/升压故障
Detection：检测电路
Driver：驱动电路
PSU：电源电路
DSP：数字信号处理器
MCU：通用处理器
SPI：串行外设接口
I2C：集成电路之间通信接口
CAN Transceiver：CAN收发器
CAN Bus：CAN总线
KL15：KL15信号
KL50：KL50信号
附图2中：
Vin：输入电压
Vout：输出电压
Power Network：功率电路网络
PWM:脉冲宽度调制
LPF：低通滤波器
Compensation Network：补偿网络
PWM Generator：PWM发生器
direct proportion：正比例
AGC：自动增益控制
ADC：模拟数字转换
Vref：参考电压
Digital Signal Processor：数字信号处理器
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器，其特征在于：它包括降压模块和电子开关模块，所述的降压模块包括Block1、Block2和Block3三个电路模块，每个电路模块包含两个Buck/Boost降压/升压单元，总共六个Buck/Boost降压/升压单元电路通过六相交织模式相连，且相邻两相的相位差为60°；同时针对六个Buck/Boost降压/升压单元电路，使用六个独立的H桥驱动器驱动相应MOS管，H桥驱动器输入端连接到数字信号处理器DSP；所述的降压模块还包括用于检测Buck/Boost降压/升压单元电路的故障信息的第一故障检测电路，第一故障检测电路发现故障后首先进行硬件故障保护，同时提供故障信息给数字信号处理器DSP；DSP处理器通过I2C接口或SPI接口连接到MCU处理器；降压模块还设有仅为该模块自身供电的内部供电单元PSU1；
所述的电子开关模块包括三路电子开关和第二故障检测电路，每路电子开关由两个MOS管电路组成，一共六个MOS管依次命名为：SW1-SW6，每路电子开关对应有一个独立的驱动器，每个驱动器的输入端均连接到MCU处理器；所述的第二故障检测电路用于检测SW1-SW6电路的故障信息，发现故障后首先进行硬件故障保护，同时提供故障信息给处理器MCU；12V电源的输出端设有EMC部件，用于满足汽车厂对于电子零部件的电磁兼容要求。特别指出的是，降压模块还设有仅为该模块自身供电的内部供电单元PSU2；所述的电子开关模块中还包含用于与其它电子控制单元进行通信CAN总线接口。
2.根据权利要求1所述的混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器，其特征在于：48V电源的输入端设有EMC部件。
3.根据权利要求1所述的混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器，其特征在于：12V电源的输入端设有EMC部件。
4.根据权利要求1所述的混合动力车用大功率48V到12V直流电源转换器，其特征在于：针对48V短路到12V危害，所述的降压模块的安全等级设计为ASIL B，所述的电子开关模块的安全等级也设计为ASIL B，所述的降压模块和电子开关模块串联支持安全等级为ASILD。
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