CN117294146A - 一种电动汽车用dc-dc变换器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车用DC‑DC变换器及控制方法，DC‑DC变换器包括：信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器；所述微控制器，与远程控制设备连接，所述目标电压、以及所述目标电流具有不同档位模式；信号采集模块，与所述微控制器连接；电源模块，与所述信号采集模块相连，所述电源模块包括若干个MOS管，所述若干个MOS管并联，调节目标数量个所述MOS管的导通时间，以实现输出所述目标电压和/或所述目标电流；保护模块，与所述电源模块相连。可以实现不同的电压及电流模式，满足用户的用电需求，提高用户的使用体验。另外，DC‑DC变换器采用了多种保护措施，提高了DC‑DC变换器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及供电控制技术领域，具体的涉及一种电动汽车用DC-DC变换器及控制方法。
背景技术
随着汽车行业的发展，新能源汽车逐渐成为汽车行业的重要发展方向。其中，DC-DC(Direct Current，直流-Direct Current，直流)变换器是新能源汽车的重要组成部分之一，用于将高压(低压)电池输出的直流电转换为低压(高压)电子系统需要的直流电，以供汽车内部的设备使用。
现有技术中，DC-DC变换器中的电压模式单一，无法满足用户的用电需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车用DC-DC变换器及控制方法，以实现电压和/或电流模式的多样性，满足用户的需求，提高用户的使用体验。
实现本发明目的的技术解决方案为：
第一方面，本申请实施例提供一种电动汽车用DC-DC变换器，包括：
信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器；
所述微控制器，与远程控制设备连接，用于接收所述远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，所述目标电压、以及所述目标电流具有不同档位模式；
信号采集模块，与所述微控制器连接，用于响应于接收到所述微控制器发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流；
电源模块，与所述信号采集模块连接，所述电源模块包括若干个MOS管，若干个所述MOS管并联，用于根据所述目标电压和/或所述目标电流，调节目标数量个所述MOS管的导通时间和开关频率，以实现输出所述目标电压和/或所述目标电流；
保护模块，与所述电源模块连接，用于对所述电源模块进行过压保护、过流保护、短路保护、防反接保护以及滤波。
可选地，所述信号采集模块包括：分压电路、放大电路和滤波电路；
所述分压电路、所述放大电路以及所述滤波电路串联；
所述分压电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接。
可选地，所述电源模块包括：PI控制电路、光耦、PWM控制芯片、变压器；
所述PI控制电路设置在所述变压器的副边，所述PI控制电路与所述光耦连接，用于在变压器处于导通的情况下，根据所述目标电压和所述输出电压，确定反馈电压；和/或根据所述目标电流和所述输出电流，确定反馈电流；且在所述光耦导通的情况下，将所述反馈电压和/或所述反馈电流传输至所述PWM控制芯片；
所述PWM控制芯片设置在所述变压器的原边，所述PWM控制芯片内设置有误差放大器，用于在所述光耦导通驱动所述误差放大器工作的状态下，响应于接收到所述反馈电压和/或反馈电流，调节PWM的占空比和频率，以调节目标数量个所述MOS管导通时间和开关频率。
可选地，所述电源模块还包括RC滤波电路，与所述PWM控制芯片的引脚连接，用于免受EMC模块的干扰。
可选地，所述电源模块还包括推挽电路，与所述PWM控制芯片连接，用于增加PWM的栅极信号。
可选地，所述电源模块还包括RCD复位电路，分别与所述变压器原边、副边连接，用于对所述变压器的漏感能量进行泄放。
可选地，所述电源模块还包括：同步整流电路，设置于所述变压器的副边，用于降低输出二极管带来的损耗。
可选地，所述保护模块包括：EMC模块；
所述EMC模块的输入端设置一级LC滤波以及两级π型滤波电路，用于对不同频段的差模和共模干扰信号进行衰减；
所述EMC模块的输出端设置一级π型滤波电路，用于对高频共模干扰信号进行抑制。
第二方面，本申请实施例提供一种DC-DC变换器的控制方法，包括：
信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器；
所述电源模块包括若干个MOS管，所述若干个MOS管并联；
响应于接收到远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流；
根据所述目标电压和/或所述目标电流，调节目标数量个所述MOS管的导通时间，以实现输出所述目标电压和/或所述目标电流。
第三方面，本申请实施例提供一种电动汽车，包括：如第一方面所述的电动汽车用DC-DC变换器。
在上述技术方案中，DC-DC变换器包括信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器，电源模块包括若干个MOS管，若干个MOS管并联，目标电压、以及目标电流具有不同档位模式，这样，DC-DC变换器可以实现不同的电压及电流模式，针对不同用户，可以实现不同的电压和/或电流需求，满足用户的用电需求，提高用户的使用体验。另外，DC-DC变换器采用了多种保护措施，提高了DC-DC变换器的可靠性。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的框图；
图2是本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的电路示意图；
图3是本申请实施例提供的一种微控制器的电路示意图；
图4是本申请实施例提供的一种CAN总线的电路示意图；
图5是本申请实施例提供的一种唤醒电路的电路示意图；
图6(a)是本申请实施例提供的一种信号采集模块中隔离放大电路的示意图；
图6(b)是本申请实施例提供的一种信号采集模块中放大电路的示意图；
图6(c)是本申请实施例提供的一种信号采集模块中分压电路的示意图；
图7是本申请实施例提供的一种电源模块的电路示意图；
图8(a)为本申请实施例提供的一种EMC模块的电路示意图；
图8(b)为本申请实施例提供的另一种EMC模块的电路示意图；
图9为本申请实施例提供的一种保护模块的输出防反接、防倒灌电路的示意图；
图10为本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的软件架构图；
图11为本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的控制方法。
具体实施方式
本发明的原理是：电动汽车用DC-DC变换器包括信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器，电源模块包括若干个MOS管，若干个MOS管并联，目标电压、以及目标电流具有不同档位模式，这样，DC-DC变换器可以实现不同的电压及电流模式，针对不同用户，可以实现不同的电压和/或电流需求，满足用户的用电需求，提高用户的使用体验。
在本实施例中提供了一种电动汽车用DC-DC变换器，图1是本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的框图，图2是本申请实施例提供的一种电动汽车用DC-DC变换器的示意图；如图1和图2所示，该DC-DC变换器可以包括：
信号采集模块200、电源模块300、保护模块400以及微控制器100；
微控制器100，与远程控制设备无线连接，用于接收远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，并将所述目标电压和/或目标电流发送至信号采集模块200，目标电压、以及目标电流具有不同档位模式；
信号采集模块200，与微控制器100连接，用于响应于接收到微控制器100发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流，并将目标电压和/或目标电流、输出电压和/或输出电流发送至电源模块300；
电源模块300，与信号采集模块200连接，电源模块300包括若干个MOS管，若干个MOS管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体型场效应管)并联，用于根据目标电压和/或目标电流，调节若干个MOS管的导通时间和开关频率，以实现输出目标电压和/或目标电流；
保护模块400，与电源模块300连接，用于将输出电压以及输出电流，分别与预先设定的电压阈值和电流阈值进行比较，确定电源模块300是否存在过压和/或过流的情况；若电源模块300存在过压和/或过流的情况，对电源模块300进行过压保护以及过流保护，还用于对电源模块300进行短路保护、防反接保护以及滤波。
DC-DC变换器可以单独以CV模式(Constant Voltage，恒压模式)输出固定的电压，也可以单独以CC模式(Constant curren，恒流模式)输出固定的电流，也可以同时以CC模式和CV模式输出，CC模式和CV模式可以自主切换。其中，DC-DC变换器的输入电压可以为200～600V，DC-DC变换器的输出电压可以为固定值12V，也可以为9V～16V的范围。因此，可供用户选择的目标电压可以有9V、12V、15V、16V等。DC-DC变换器的输入电流可以为0.5A，DC-DC变换器的输出电流可以为0.5A～7A，因此，可供用户选择的电压有1A、2A、3A、5A等。DC-DC变换器的整体结构尺寸范围可以为120mm×80mm×35mm。
远程控制设备可以包括遥控器和开关按键。当远程控制设备发送用户设置的目标电压和/或目标电流时，如图3所示，为微控制器100的示意图，微控制器100内设有一路CAN总线(Controller Area Network，控制器局域网总线)，通过微控制器100内的CAN总线，可以实现DC-DC变换器与远程控制设备的通讯，以接收目标电压和/或目标电流。同时远程控制设备也可以通过CAN总线设置DC-DC变换器的工作模式，当远程控制设备发送DC-DC变换器使能信号时，DC-DC变换器即可进入正常工作模式，DC-DC变换器的目标电压以及目标电流均由远程控制设备在固定挡位间切换。
如图4所示，为CAN总线的电路示意图。为了降低DC-DC变换器的功耗，DC-DC变换器休眠时采用断电式休眠。此时，CAN芯片7脚为低电位，14脚处于低电平状态，DC-DC变换器处于休眠状态；当DC-DC变换器进入休眠状态后，远程控制设备可通过CAN总线发送报文，使7脚变成高电位，DC-DC变换器上电，MCU模块工作，将14脚拉高，从而唤醒DC-DC变换器。
如图5所示，为唤醒电路的示意图。DC-DC变换器具有12V硬线唤醒和CAN唤醒功能。当WK_UP为+12V高电频信号，NPN三极管Q12导通，从而MOS Q11导通，DC-DC系统上电，MCU工作，IO口PU_ON输出高电平，锁定三极管Q12、MOS Q11一直导通，DCDC正常工作。INH为CAN唤醒控制线，控制原理与12V硬线唤醒一致。
在上述技术方案中，DC-DC变换器包括信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器，电源模块包括若干个MOS管，若干个MOS管并联，目标电压、以及目标电流具有不同档位模式，这样，DC-DC变换器可以实现不同的电压及电流模式，针对不同用户，可以实现不同的电压和/或电流需求，满足用户的用电需求，提高用户的使用体验。另外，DC-DC变换器采用了多种保护措施，提高了DC-DC变换器的可靠性。
如图6所示，信号采集模块200包括：分压电路、放大电路和滤波电路；
分压电路、放大电路以及滤波电路串联；
分压电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接。
如图6(a)，对变压器原边电压采集时，为了保证电气隔离，将原边电压分压后，通过隔离放大器隔离，由于隔离放大器输出为差分信号，因此将差分信号通过运放转换为单端信号后接入微控制器100检测。
如图6(b)和6(c)所示，对DC-DC变换器输出电压的采集即对变压器副边电压采集，由于副边无需隔离，因此将电压分压后，由于电流信号较小，为了保证检测精度因此对电流信号进行放大，将放大过的信号经过滤波电路即可接入微控制器100检测。
如图7所示，电源模块300包括：PI控制电路、光耦、PWM控制芯片、变压器；
PI控制电路设置在变压器的副边，PI控制电路与光耦连接，用于在变压器处于导通的情况下，根据目标电压和输出电压，确定反馈电压，和/或根据目标电流和输出电流，确定反馈电流；且在光耦导通的情况下，将反馈电压和反馈电流传输至PWM控制芯片；
PWM控制芯片设置在变压器的原边，PWM控制芯片内设置有误差放大器，用于在光耦导通驱动误差放大器工作的状态下，响应于接收到反馈电压和/或反馈电流，调节PWM的占空比和频率，以调节目标数量个MOS管导通时间和开关频率。
当DC高压接入DC_IN端时，此时通过分压电阻给VDD的母线电容充电，当VDD的母线电容充电到PWM控制芯片启动电压时，此时PWM控制芯片开始工作，进入软启动状态，在软启动状态下PWM控制芯片逐渐增大输出的PWM驱动波形的占空比以及频率。此时MOS管Q5在PWM控制芯片的驱动下开始工作，当Q5打开时，将DC_IN接入到变压器原边P，变压器原边电流线性上升，此时由于Q1的反向截止作用，变压器处于储能状态。当Q5关闭时，变压器原边的电流失去导通路径立刻截止，此时变压器存储的能量通过副边S以及A释放。
为了输出设定的输出电压以及电流，在变压器副边S对电压和/或电流进行采集，实时采集副边的电压以及电流值，并将采集的电压以及电流值传递给PI控制电路，PI控制电路根据目标电压和/或目标电流和输出电压，确定反馈电压，反馈电压为目标电压与输出电压的差。PI控制电路控制光耦的导通以及关闭，光耦处于导通状态时，VDD电压连接PWM控制芯片的FB引脚，同时将反馈电压传递给PWM控制芯片，从而驱使PWM控制芯片内部的误差放大器工作，控制PWM输出的占空比，以调节目标数量个MOS管导通时间，从而达到调节输出电压以及输出电流的目的。
如图7所示，电源模块300还包括RC滤波电路，与PWM控制芯片的FB引脚连接，用于免受EMC模块的干扰。
如图7所示，电源模块300还包括推挽电路，与PWM控制芯片连接，用于增加PWM的栅极信号的输出。
由于PWM控制芯片栅极信号驱动的拉电流以及灌电流能力较弱，因此采用在PWM栅极信号输出端增加推挽电路，增加输出能力，缩短MOS管密勒平台带来的开关损耗，并且推挽的强大拉电流能力可以在关断时候快速泄放掉栅极G、源极S极的电压，避免MOS管因为密勒平台以及EMC模块的影响造成关断振荡，提高了DC-DC变换器的可靠性。
如图7所示，电源模块300还包括RCD复位电路，分别与变压器原边、副边连接，用于对变压器的漏感能量进行泄放。
变压器绕制时候不可避免产生漏感，当MOS管关断时，变压器漏感上的能量无法释放，会与MOS管的输出寄生电容产生振荡，在MOS管漏极D、源极S端引起较高的电压，造成MOS管击穿，并且若漏感上的能量不进行复位，累加的能量也会造成变压器磁饱和。因此设定RCD复位电路，对变压器的漏感能量进行泄放。
如图7所示，电源模块300还包括：同步整流电路，设置于变压器的副边，用于降低输出二极管带来的损耗。
DC-DC变换器要求在大电流高效率的状态下运行，为了解决输出二极管带来的损耗，因此输出采用同步整流控制，为了避免DCM模式(Discontinuous Conduction Mode，非连续导通模式下)输出振荡可能导致同步整流误导通，因此在同步整流控制器上设置闪烁时间Tblk，使得同步整流管可以可靠的运行。
如图8所示，保护模块400包括：EMC模块；
如图8(a)所示，EMC模块的输入端设置一级LC滤波以及两级π型滤波电路，用于对不同频段的差模和共模干扰信号进行衰减；
如图8(b)所示，EMC模块的输出端设置一级π型滤波电路，用于对高频共模干扰信号进行抑制。
在EMC处理上，在EMC电路的输入端设置一级LC滤波和两级π型滤波电路，可以针对不同频段的差模和共模干扰信号进行衰减，滤除母线共模干扰以及差模干扰对系统的影响，提高了输入系统的稳定性。在EMC电路的输出端上设置一级π型滤波电路，可以对高频共模干扰进行抑制，提高了输出系统的稳定性。
为保护模块400的电路示意图。在高压母线的输入端，接入了保险丝确保系统故障时可有效的断开回路。为了避免高压母线的反接，采用了输入防反电路，确保系统反接时的安全性。将DC-DC变换器的输入使能直接设置为母线输入使能，当DC-DC变换器使能信号关闭或者DC-DC变换器出现输入过流保护时，系统均可以准确的关断输出。
如图9所示，为输出防反接、防倒灌电路的示意图。在DC/DC的输出端，首先设置了输出反接、防倒灌保护，避免输出母线由于反接对系统造成伤害。同时，在输出反接保护的基础上，额外增加了一级输出过流保护的控制，当微控制器100检测到输出电流过高或者短路时，微控制器100立刻断开反接MOS，切断与输出回路的连接，从而保证系统的安全性。
此外，由于输出端要与低压电池相连接，为了防止电池电压高于系统输出电压造成电流往输出正极流入，当电池电压高于输出电压时，U1的2脚输出高电位，Q19 MOS断开，Q19阻止电流倒灌进DC-DC变换器的输出端，起到保护作用。同时，DC-DC变换器使用了大量的车规级物料，从而提高了可靠性。
如图10所示，DC-DC变换器的整个软件参照AUTOSAR的设计理念搭建软件架构，层次化，模块化，弱化了硬件层与上层软件之间的联系，统一了接口，便于整个软件系统的管理以及维护。
软件采用了多种运行状态的定义，以不同的条件进入或者退出相应的状态。从而达到状态之间自由切换的功能。当DC-DC变换器上电时处于初始化状态，当在设定的时间没有充放电状态或者接收到休眠指令，DC-DC变换器进入休眠状态，上电后DC-DC变换器初始化整体配置，然后导入设定的配置参数，当参数完全导入后，DC-DC变换器进入自检状态，自检出现错误则进入故障模式，上报故障。当自检无误后DC-DC变换器进入运行模式，正常运行并且实时监测自身状态，当检测到状态超出预先设定的参数阈值时，进入故障模式，并且在故障模式中执行保护动作，上报故障信息。DC-DC变换器使能输出由外部控制器通过CAN指令控制，并且DC-DC变换器的输出电压，输出电流均由远程控制设备通过CAN指令在固定挡位之间切换。
基于相同的发明构思，在本实施例中提供了一种DC-DC变换器的控制方法，图11是本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的控制方法的流程图，如图11所示，该方法可以包括：
信号采集模块200、电源模块300、保护模块400以及微控制器100；
电源模块300包括若干个MOS管，若干个MOS管并联；
S101，响应于接收到远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流；
S102，根据目标电压和/或目标电流，调节目标数量个MOS管的导通时间和开关频率，以实现输出目标电压和/或目标电流。
基于相同的发明构思，在本实施例中提供了一种电动汽车，包括如上文所示的电动汽车用DC-DC变换器。
上述实施例为本发明优选地实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，包括：信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器；
所述微控制器，与远程控制设备连接，用于接收所述远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，所述目标电压、以及所述目标电流具有不同档位模式；
信号采集模块，与所述微控制器连接，用于响应于接收到所述微控制器发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流；
电源模块，与所述信号采集模块连接，所述电源模块包括若干个MOS管，若干个所述MOS管并联，用于根据所述目标电压和/或所述目标电流，调节目标数量个所述MOS管的导通时间和开关频率，以实现输出所述目标电压和/或所述目标电流；
保护模块，与所述电源模块连接，用于对所述电源模块进行过压保护、过流保护、短路保护、防反接保护以及滤波。
2.根据权利要求1的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述信号采集模块包括：分压电路、放大电路和滤波电路；
所述分压电路、所述放大电路以及所述滤波电路串联；
所述分压电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接。
3.根据权利要求1的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述电源模块包括：PI控制电路、光耦、PWM控制芯片、变压器；
所述PI控制电路设置在所述变压器的副边，所述PI控制电路与所述光耦连接，用于在变压器处于导通的情况下，根据所述目标电压和所述输出电压，确定反馈电压；和/或根据所述目标电流和所述输出电流，确定反馈电流；且在所述光耦导通的情况下，将所述反馈电压和/或所述反馈电流传输至所述PWM控制芯片；
所述PWM控制芯片设置在所述变压器的原边，所述PWM控制芯片内设置有误差放大器，用于在所述光耦导通驱动所述误差放大器工作的状态下，响应于接收到所述反馈电压和/或反馈电流，调节PWM的占空比和频率，以调节目标数量个所述MOS管导通时间和开关频率。
4.根据权利要求3的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述电源模块还包括RC滤波电路，与所述PWM控制芯片的引脚连接，用于免受EMC模块的干扰。
5.根据权利要求3的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述电源模块还包括推挽电路，与所述PWM控制芯片连接，用于增加PWM的栅极信号。
6.根据权利要求3的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述电源模块还包括RCD复位电路，分别与所述变压器原边、副边连接，用于对所述变压器的漏感能量进行泄放。
7.根据权利要求3的电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述电源模块还包括：同步整流电路，设置于所述变压器的副边，用于降低输出二极管带来的损耗。
8.根据权利要求1电动汽车用DC-DC变换器，其特征在于，所述保护模块包括：EMC模块；
所述EMC模块的输入端设置一级LC滤波以及两级π型滤波电路，用于对不同频段的差模和共模干扰信号进行衰减；
所述EMC模块的输出端设置一级π型滤波电路，用于对高频共模干扰信号进行抑制。
9.一种DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，包括：
信号采集模块、电源模块、保护模块以及微控制器；
所述电源模块包括若干个MOS管，所述若干个MOS管并联；
响应于接收到远程控制设备发送的目标电压和/或目标电流，采集DC-DC变换器的输出电压和/或输出电流；
根据所述目标电压和/或所述目标电流，调节目标数量个所述MOS管的导通时间和开关频率，以实现输出所述目标电压和/或所述目标电流。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1-8所述的电动汽车用DC-DC变换器。
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| CN202311300009.XA CN117294146A (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 一种电动汽车用dc-dc变换器及控制方法 |
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| CN111313524A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-06-19 | 西北工业大学 | 一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路及实现方法 |
| CN115021578A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-09-06 | 广州金升阳科技有限公司 | 一种反激变换器的控制方法、装置及反激变换器 |
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