CN110027490B - 一种汽车双电压供电系统及其控制方法 - Google Patents

一种汽车双电压供电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种汽车双电压供电系统及其控制方法，为汽车的低压负载提供48V和12V供电电源。本发明的系统中，48V负载由36V电池组与12V电池串联进行供电，12V负载由12V电池提供1/4的所需功率，剩余功率由36V电池组通过隔离DC/DC变换器提供。本发明能减小隔离DC/DC变换器的额定设计功率、降低输入电压等级，继而降低汽车双电压供电系统的成本和体积；此外，隔离DC/DC变换器能实现自动电压调整、自动输出功率限幅功能，提高了系统可靠性。

Description

一种汽车双电压供电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车电子、电力电子变换器领域，更具体地，涉及一种汽车双电压供电系统及其控制方法。
背景技术
为了有效减少汽车上线束和电器的体积、电能损耗，汽车低压供电正从12V供电系统向48V供电系统中过渡。目前，大多数汽车供电系统为双电压供电系统，采用48V电池组为48V负载供电，同时通过一个DC/DC变换器装置，给12V负载供电。由于这种系统在新旧供电系统过渡中具有较好的兼容性，因此双电压供电系统得到了的广泛的应用。
在传统的双电压供电系统中，12V供电由DC/DC变换器装置将48V转换获得。这种供电方式简单直接、可靠性较好。但是，在汽车领域中，12V负载的波动往往较大，需要一个鲁棒性强的控制器对DC/DC变换器进行控制。同时，12V母线上无储能电池接入，因此变换器输出侧需要大量的电解电容的投入。12V负载的大范围波动也导致DC/DC变换器设计时变换器功率上限较大，半导体器件需要留有较大裕量。这增加了控制器设计的难度、DC/DC变换器装置的成本和系统体积。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，本发明提出一种汽车双电压供电系统及其控制方法。在同等12V负载条件下，该汽车双电压供电系统的隔离DC/DC变换器功率要求只有传统双电压供电系统的DC/DC变换器功率3/4，并且它的半导体器件应力更低；此外，本发明还具有高适用性、鲁棒性、成本低、体积小等优点，可以广泛地应用于汽车双电压供电系统中。
(二)技术方案
本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种48V/12V的汽车双电压供电系统及其控制方法。本发明采用的主要技术方案包括：
根据本发明的一个方面，提供一种汽车双电压供电系统，所述双电压供电系统包括：36V电池组、12V电池、隔离DC/DC变换器、48V负载和12V负载；
所述的36V电池组由3个12V电池串联得到，作为隔离DC/DC变换器的输入端，并与12V电池串联后作为48V负载的供电电源；
所述的12V电池与12V负载并联；
所述的隔离DC/DC变换器输入端接36V电池组，输出端接12V负载。
进一步的，所述的隔离DC/DC变换器包括钳位二极管电路、谐振电容电路、半桥电路、高频变压器、全桥电路、输出滤波电容；相互并联的钳位二极管电路、谐振电容电路、半桥电路位于高频变压器原边的一侧，相互并联的全桥电路、输出滤波电容位于高频变压器副边的一侧；高频变压器原边与副边的变比为3:1。
进一步的，钳位二极管电路包括串联的二极管D1和D2，且二极管D2阴极与二极管D1阳极相连；
谐振电容电路包括串联的电容C1和C2，半桥电路包括串联的功率器件S1和S2，且S1的源极与S2的漏极相连；
全桥电路包括两组并联的桥臂，功率器件S3和S4串联组成一组桥臂，功率器件S5和S6串联组成另一组桥臂，其中S3的源极与S4的漏极相连，S5的源极与S6的漏极相连。
进一步的，电容C1的一端与36V电池组的正极、功率器件S1的漏极和二极管D1的阴极相连，另一端与二极管D1的阳极相连；电容C2的一端与36V电池组的负极、功率器件S2的源极和二极管D2的阳极相连，另一端与二极管D2的阴极和二极管D1的阳极相连；高频变压器原边的一端与功率器件S1的源极相连，原边的另一端与二极管D1的阳极相连，副边一端与功率器件S3的源极相连，副边另一端功率器件S5的源极相连；输出滤波电容一端与功率器件S3和S5的漏极、12V电池的正极相连，另一端与全桥电路中功率器件S4和S6的源极、12V电池的负极相连。
进一步的，所述48V负载由36V电池组串联12V电池共同供电；12V负载由隔离DC/DC变换器传递功率所需的3/4的负载，另外1/4的负载功率由12V电池提供。
根据本发明的另一个方面，提供一种双电压供电系统控制方法，所述控制方法使用上述任一项所述的汽车双电压供电系统来实现，所述方法包括如下步骤：
步骤1：汽车电池管理器采集36V电池组、12V电池的荷电状态，根据荷电状态发送隔离DC/DC变换器的工作指令；
步骤2：驱动信号发生模块接收所述工作指令，实现自动电压均衡控制或停机；
步骤3：当隔离DC/DC变换器输出功率大于隔离DC/DC变换器所设计限幅功率时，限制所述隔离DC/DC变换器的传递功率，实现自动功率限幅保护。
进一步的，所述步骤S1中的工作指令包括间歇性工作的脉冲信号、使能信号和封锁信号。
进一步的，所述步骤S2还包括：接收到封锁信号后，驱动信号发生模块封锁驱动信号，使得所有半导体功率器件停止动作，隔离DC/DC变换器实现停机；接收到使能信号后，驱动信号发生模块产生占空比为50％且带死区的PWM驱动信号。
进一步的，所述步骤S3中的隔离DC/DC变换器所设计限幅功率P限幅具体为:
Figure BDA0002002301000000041
其中，C为隔离DC/DC变换器的谐振电容容值，Vin为输入电压平均值，fs为开关频率。
(三)有益效果
本发明的汽车双电压供电系统及其控制方法有如下的优点：在该系统中，隔离DC/DC变换器设计功率低，变换器功率器件应力小；12V母线接入12V电池，12V无需大量电解电容，实施成本低；通过进一步对隔离DC/DC变换器进行设计和控制，本发明还可在开环控制同时具有电池组自动电压调整、自动功率限幅等功能，具有较强的控制鲁棒性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的控制方法流程示意图；
图3为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的控制方法中，在一个开关周期中，功率器件动作状态的时序示意图；
图4为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的实验中达到稳态时，功率器件S1的动作信号、高频变压器的输入电流ik、谐振电容电压uc1的波形的示意图。
图5为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的实验中达到稳态时，36V电池组端电压除以3与12V电池端电压之差的波形的示意图。
图6为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的实验中12V负载变化时，钳位二极管的反压和钳位二极管电流波形的示意图。
图7为根据本发明实施例一种汽车双电压供电系统的实验中12V负载变化时，36V电池组端电压除以3后与12V电池端电压之差的波形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明技术具体实施例提供了应用于汽车低压设备供电的双电压(48V/12V)供电系统及其控制策略。本发明所提的供电系统中，36V转12V的隔离DC/DC变换器所需传递功率仅为12V负载功率的3/4，另外1/4的负载功率由12V电池提供。此外将12V电池接入12V母线中，可以减小隔离DC/DC变换器输出侧的电解电容的使用，减小了整体的体积。相比于传统汽车双电压供电系统，本发明的隔离DC/DC变换器输入电压等级从48V降为36V，可以选择较小电压应力的功率器件，有效减小系统成本，且本发明中通过对隔离DC/DC变换器进行进一步设计和控制，其隔离DC/DC变换器在开环控制下还能实现自动电压调整、自动输出功率限幅，提高了系统可靠性。
图1中，示出本发明一个具体实施例中双电压(48V/12V)供电系统结构示意图。总体上，双电压供电系统包括：36V电池组1、12V电池2、隔离DC/DC变换器3、48V负载和12V负载；
所述的36V电池组由3个12V电池串联得到(四个12V电池规格相同)，作为隔离DC/DC变换器的输入端，并与12V电池串联后作为48V负载的供电电源；
所述的12V电池与12V负载并联；
所述的隔离DC/DC变换器输入端接36V电池组，输出端接12V负载。
通过上述的各个模块之间的有机连接，可以获得48V和12V的双供电电压，其特别适合于汽车电池供电领域，且需要强调的是，本发明的变换器既可以是常规的隔离DC/DC变换器，也可以是如图1中进一步优化后具有自动电压调整、自动输出功率限幅的隔离DC/DC变换器3。
上述使用常规的隔离DC/DC变换器的双电压供电系统能够直接获得如下的技术效果：其36V转12V的隔离DC/DC变换器所需传递功率仅为12V负载功率的3/4，另外1/4的负载功率由12V电池提供；此外将12V电池接入12V母线中，可以减小隔离DC/DC变换器输出侧的电解电容的使用，减小了整体的体积；且隔离DC/DC变换器输入电压等级从48V降为36V，可以选择较小电压应力的功率器件，能有效减小系统成本，本发明的上述方案能够同时解决背景技术中提出的多个技术问题，故其特别适合于汽车电池供电领域。
本发明为了使得双电压供电系统更加适用于汽车低压直流供电领域，还进一步的对隔离DC/DC变换器进行了优化设计，使得系统能实现自动电压调整、自动输出功率限幅功能，从而直接适用于汽车的电池供电。
具体的，如图1所示，隔离DC/DC变换器3由钳位二极管电路4、谐振电容电路5、半桥电路6、高频变压器7、全桥电路8、输出滤波电容9组成，输入电压是36VDC，输出电压是12VDC。钳位二极管电路4包括串联的二极管D1和D2，且二极管D2阴极与二极管D1阳极相连，谐振电容电路5包括串联的电容C1和C2，半桥电路6包括串联的功率器件S1和S2，且S1的源极与S2的漏极相连；高频变压器7可为常规的高频变压器，其原边与副边的变比为3:1；全桥电路8包括两组并联的桥臂，功率器件S3和S4串联组成一组桥臂，功率器件S5和S6串联组成一组桥臂，其中，其中S3的源极与S4的漏极相连，S5的源极与S6的漏极相连。
进一步的，电容C1的一端与36V电池组1的正极、半桥电路6的功率器件S1的漏极、二极管D1的阴极相连，另一端与二极管D1的阳极相连；电容C2的一端与36V电池组1的负极、半桥电路6的功率器件S2的源极、二极管D2的阳极相连，另一端与钳位二极管电路4中二极管D2的阴极和二极管D1的阳极相连；高频变压器7原边的一端与半桥电路6功率器件S1的源极相连，原边另一端与钳位二极管电路4的二极管D1的阳极相连，副边一端与全桥电路8中功率器件S3的源极相连，副边另一端与全桥电路8中功率器件S5的源极相连；输出滤波电容9一端与全桥电路功率器件S3、S5的漏极、12V电池2正极相连，另一端与全桥电路8中功率器件S4、S6的源极、12V电池2负极相连。
在本发明的双电压供电系统结构中，控制隔离DC/DC变换器使得36V电池组与12V电池保持荷电平衡，即两个电池组输出功率比为3：1。因此，在不考虑变换器损耗时，当12V负载功率为Po，那么12V电池输出功率为Po/4，36V电池组输出功率为3/4Po。隔离DC/DC变换器的作用是将36V电池组输出功率传递给12V负载，即隔离DC/DC变换器传递功率为12V负载功率的四分之三。
图2中，示出本发明一个具体实施例一种汽车双电压供电系统的控制方法流程示意图。总体上，所述双电压供电系统的控制系统包括汽车电池管理器、驱动信号发生模块、功率限幅模块。所述汽车电池管理器，用于管理隔离DC/DC变换器的工作与否，连接到驱动信号发生模块；所述驱动信号发生模块，实现该隔离DC/DC变换器的控制；所述功率限幅模块，由上述的钳位二极管构成，用于实现自动功率限幅。
根据双电压供电系统的控制系统的模块功能，该双电压供电系统的控制方法的步骤包括:
步骤1：汽车电池管理器根据电池荷电状态发送隔离DC/DC变换器工作指令。汽车电池管理器采集36V电池组、12V电池的荷电状态(荷电状态即指剩余电量)，当两者荷电状态差距较大时，发送给驱动信号发生模块间歇性工作的脉冲信号(即使能信号和封锁信号交替的脉冲信号)；当两者荷电状态差距较小时，发送给驱动信号发生模块使能工作的使能信号；当故障或者其他需要停机状况时，发送给驱动信号发生模块封锁信号。
步骤2：接收到封锁信号后，驱动信号发生模块封锁驱动信号，使得所有半导体功率器件关断，隔离DC/DC变换器实现停机；接收到使能信号后，驱动信号发生模块产生占空比为50％的带死区的PWM驱动信号，该驱动信号能实现所述隔离DC/DC变换器的自动电压均衡功能，当隔离DC/DC变换器输出功率(即负载功率)大于(即最大功率)时，进入步骤3,
隔离DC/DC变换器所设计限幅功率P限幅具体为：
Figure BDA0002002301000000091
其中，C为谐振电容容值，C＝C1＝C2，Vin为36V电池组的输入电压平均值，fs为开关频率。
步骤3：当负载功率超过设计最大功率时，隔离DC/DC变换器的钳位二极管电路4中的二极管D1、D2发挥作用，使得谐振电容电压最大值为输入电压、最小值为输出电压，因此，隔离DC/DC变换器传递功率得到限制，实现自动功率限幅保护。
本发明另一个具体实施例中，一种汽车双电压供电系统的控制方法的步骤2中，驱动信号发生模块会在接收工作信号后产生占空比为50％、带死区的PWM驱动信号。根据所产生PWM驱动信号继而控制功率器件S1、S2、S3、S4、S5、S6在一个开关周期的开通与关断。
如图3，本发明另一个具体实施例中，示出一种汽车双电压供电系统的控制方法中，在一个开关周期中，功率器件动作状态的时序示意图，其依次包括运行状态1～5的五种运行状态。
运行状态1中，功率器件S1、S2、S3、S4、S5、S6关断；
运行状态2中，功率器件S1、S3、S6开通，功率器件S2、S4、S5开通；
运行状态3中，功率器件S1、S2、S3、S4、S5、S6关断；
运行状态4中，功率器件S2、S4、S5开通，功率器件S1、S3、S6关断；
运行状态5中，功率器件S1、S2、S3、S4、S5、S6关断。
本发明另一个具体实施例中，对本发明一种汽车双电压供电系统的控制方法对于隔离DC/DC变换器进行仿真实验验证，具体设计参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002002301000000101
Figure BDA0002002301000000111
图4为上述仿真实验达到稳态时，功率器件S1的动作信号、高频变压器的输入电流ik、谐振电容电压uc1的波形。可以看出，在S1导通期间变压器漏感与谐振电容进行谐振。由于开关频率大于漏感与谐振电容的谐振频率，因此谐振电流为断续波形，隔离DC/DC变换器处于输入输出恒电压增益状态。
图5为上述仿真实验达到稳态时，36V电池组端电压除以3与12V电池端电压之差的波形。可以看出，两者电压差几乎为零，因此，隔离DC/DC变换器能够实现输入输出电压自动均衡。
图6为在上述仿真实验中，当12V负载功率从100W变化到2000W再变化到1000W条件下，钳位二极管的反压和钳位二极管电流实验波形。可以看出，当变换器传递功率超出所设定功率限幅保护功率时，钳位二极管将会在谐振电容电压等于输入电压时导通。钳位二极管电路导通过程中，隔离DC/DC变换器不再传递功率，因此实现了隔离DC/DC变换器功率自动限幅功能。
图7为在上述仿真实验中，当12V负载功率从100W变化到2000W再变化到1000W条件下，36V电池组端电压除以3与12V电池端电压之差的波形。当变换器传递功率超出所设定功率限幅保护功率时，隔离DC/DC变换器传递功率受到限制12V电池将会输出更大的功率，因此电池组端电压会有较大的差值。然后当变换器传递功率小于所设定功率限幅保护功率时，隔离DC/DC变换器将会实现自动电压均衡，因此电池组端电压差值将为减小为零附近。此次仿真实验结果充分表明本发明的有效性。
本申请中技术方案提出了种汽车双电压供电系统及其控制，在同等12V负载条件下，该汽车双电压供电系统的隔离DC/DC变换器功率要求只有传统双电压供电系统的DC/DC变换器功率3/4。本发明的控制方案中，能够实现变36V电池组与12V电池之间的电压自动平衡。同时，钳位二极管能够在当变换器传递功率超出所设定功率限幅保护功率时实现隔离DC/DC变换器功率自动限幅功能。本发明具有高适用性、鲁棒性、成本低、体积小等，可以广泛地应用于汽车双电压供电系统中。
综上可知，本发明的汽车双电压供电系统及其控制方法有如下的优点：在该系统中，隔离DC/DC变换器设计功率低，变换器功率器件应力小；12V母线接入12V电池，12V无需大量电解电容，实施成本低；通过进一步对隔离DC/DC变换器进行设计和控制，本发明还可在开环控制同时具有电池组自动电压调整、自动功率限幅等功能，具有较强的控制鲁棒性。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汽车双电压供电系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过汽车双电压供电系统来实现，其特征在于：
所述汽车双电压供电系统包括：36V电池组、12V电池、隔离DC/DC变换器、48V负载和12V负载；
所述的36V电池组由3个12V电池串联得到，作为隔离DC/DC变换器的输入端，并与12V电池串联后作为48V负载的供电电源；
所述的12V电池与12V负载并联；
所述的隔离DC/DC变换器输入端接36V电池组，输出端接12V负载；所述48V负载由36V电池组串联12V电池共同供电；12V负载由隔离DC/DC变换器传递功率所需的3/4的负载，另外1/4的负载功率由12V电池提供
所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：汽车电池管理器采集36V电池组、12V电池的荷电状态，根据荷电状态发送隔离DC/DC变换器的工作指令；当两者荷电状态差距较大时，发送给驱动信号发生模块间歇性工作的脉冲信号；当两者荷电状态差距较小时，发送给驱动信号发生模块使能工作的使能信号；当故障或者其他需要停机状况时，发送给驱动信号发生模块封锁信号；
步骤2：驱动信号发生模块接收所述工作指令，实现自动电压均衡控制或停机；接收到封锁信号后，驱动信号发生模块封锁驱动信号，使得所有半导体功率器件关断，隔离DC/DC变换器实现停机；接收到使能信号后，驱动信号发生模块产生占空比为50％的带死区的PWM驱动信号，该驱动信号能实现所述隔离DC/DC变换器的自动电压均衡功能；
步骤3：当隔离DC/DC变换器输出功率大于隔离DC/DC变换器所设计限幅功率时，限制所述隔离DC/DC变换器的传递功率，实现自动功率限幅保护。
2.如权利要求1所述的双电压供电系统的控制方法，其特征在于，所述的隔离DC/DC变换器包括钳位二极管电路、谐振电容电路、半桥电路、高频变压器、全桥电路、输出滤波电容；相互并联的钳位二极管电路、谐振电容电路、半桥电路位于高频变压器原边的一侧，相互并联的全桥电路、输出滤波电容位于高频变压器副边的一侧；高频变压器原边与副边的变比为3:1。
3.如权利要求2所述的双电压供电系统的控制方法，其特征在于，所述钳位二极管电路包括串联的二极管D1和D2，且二极管D2阴极与二极管D1阳极相连；
谐振电容电路包括串联的电容C1和C2，半桥电路包括串联的功率器件S1和S2，且S1的源极与S2的漏极相连；
全桥电路包括两组并联的桥臂，功率器件S3和S4串联组成一组桥臂，功率器件S5和S6串联组成另一组桥臂，其中S3的源极与S4的漏极相连，S5的源极与S6的漏极相连。
4.如权利要求3所述的双电压供电系统的控制方法，其特征在于，所述电容C1的一端与36V电池组的正极、功率器件S1的漏极和二极管D1的阴极相连，另一端与二极管D1的阳极相连；电容C2的一端与36V电池组的负极、功率器件S2的源极和二极管D2的阳极相连，另一端与二极管D2的阴极和二极管D1的阳极相连；高频变压器原边的一端与功率器件S1的源极相连，原边的另一端与二极管D1的阳极相连，副边一端与功率器件S3的源极相连，副边另一端功率器件S5的源极相连；输出滤波电容一端与功率器件S3和S5的漏极、12V电池的正极相连，另一端与全桥电路中功率器件S4和S6的源极、12V电池的负极相连。
5.如权利要求1所述的双电压供电系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的隔离DC/DC变换器所设计限幅功率P限幅具体为:
Figure FDA0003060352420000031
其中，C为隔离DC/DC变换器的谐振电容容值，Vin为输入电压平均值，fs为开关频率。
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