CN202050363U - 纯电动汽车直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纯电动汽车直流变换器，是宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用直流变换器，主要由电性连接的输入控制继电器、功率并联单元、EMI处理单元、输出控制继电器以及控制和保护单元组成。该变换器的功率单元并联和脉冲控制芯片，不仅变换器体积小，还能显著提高工作效率；能够按照输入电压的波动情况以及负载的变化特征，自动实现输出电压的稳压和环流抑制；出现短路故障时系统能够以最快的速度关闭功率器件的脉冲。

Description

纯电动汽车直流变换器

技术领域

本实用新型涉及一种用于纯电动汽车直流变换的装置，利用本装置对纯电动汽车的电池输出电压进行变换，为后级用电设备供电。该装置适用于各种不同功率的电动汽车的直流变换。

背景技术

随着我国经济的发展，汽车的产销量和保有量都保持着高速稳定的发展态势。有专家指出，按照现在的发展速度，我国的燃油生产将面临更大的压力，能源供应及环境的压力正在成为汽车行业发展的制约因素。我国汽车产业的未来，必然要走发展更清洁更节能之路。电动汽车以清洁的、可再生的能源为动力，必将成为汽车大家庭中的重要成员。   

电动汽车的电源多为电池，因电池组的输出电压波动范围大，且供电单元的电池数量不一样，电压波动范围是不一样的，波动范围一般来都在24V～90V之间,而后级电压一般都要求稳压在24V以及24V以内的电压水平，在负载从空载到满载以及输入从最小电压到最大电压波动时，输出电压的波动范围在0.3V以内。鉴于车载特殊的使用场合，要求该变换器必须具备应有的设计功能和性能，而且也要满足对体积、效率、重量、可靠性、电磁干扰与抗干扰性、热性能、噪声等方面的特殊要求。     

随着电动汽车载重量以及运行速度的提高，对车载电源功率以及车载电源的要求越来越高。而传统纯电动汽车用车载电源一般采用逆变器加工频变压器的方案，它存在体积大、效率低等缺陷。随着新型电力电子器件和电力电子技术的发展，采用高频开关电源技术来实现无工频变压器的逆变电路，可以很好地解决传统车载电源存在的问题，同时能保证车载电源的输出电压更稳定、更平滑。

鉴于上文所述，结合现代纯电动汽车对车载装置的特殊要求，吸收传统的纯电动汽车用DC-DC变换器的优势，在进行恒压闭环控制时，采用功率单元并联的形式实现功率大、体积小的DC转换器，可以极大的提高系统的可靠性和性价比。因此，研发出在车载动力电源供电下基于功率单元并联的纯电动车用DC-DC变换器，对提高电动汽车的运行效率将具有明显重要的意义。

发明内容

本实用新型为了解决传统纯电动汽车用DC-DC变换器不能适应现代纯电动汽车的要求，而提出一种针对纯电动汽车而设计的基于功率单元并联的降压型直流变换器，以能适用于各种用于不同型号、不同功率的纯电动汽车，并可通过更换部分零件和设定部分参数可以满足各种电动汽车的对DC-DC变换器的要求，并确保该变换器输出电压精度高，适应好，效率高。

本实用新型是通过以下方案实现的：

上述的纯电动汽车直流变换器，是宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用直流变换器，主要由电性连接的输入控制继电器、功率并联单元、EMI处理单元、输出控制继电器以及控制和保护单元组成。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述功率并联单元主要由两个相互独立的功率单元并联组成，其中每一个功率单元由直流交流变换单元、高频隔离单元、全波整流单元以及低通滤波单元电性连接组成。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述直流交流变换单元的拓扑结构为在高频变压器一次侧和二次侧均有两个相互独立的绕组，所述变压器一次侧的两个相互独立的绕组并联连接，采用带中心抽头的变压器的逆变电路结构，实现直流到交流的变换。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述高频隔离单元主要通过高频变压器，结合高频开关器件和控制器件的开特性，在控制性能和效率最优的情况下设计变压器的参数，实现整流侧的最佳控制电压。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述全波整流单元利用单相全波整流电路实现将高频交流电变换成脉动直流电。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述整流滤波单元采用单相全波高频整流和无源低通滤波，实现高频交流电压到恒定直流的变换。

所述的纯电动汽车直流变换器，其中：所述控制和保护单元具有脉宽调制脉冲的产生、恒压过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、输入反接保护以及输出反接保护功能。

有益效果：

1．该电动汽车用直流变换器使用采用功率单元并联的新型拓扑结构和脉冲控制芯片，采用输出电压和输出电流双闭环控制，按照输入电压的波动情况以及负载的变化特征，自动实现输出电压的稳压和环流抑制，同时变换器具有良好的性能指标。采用功率单元并联技术不仅能减小变换器的体积，而且还能显著提高其工作效率，经实际测试在满载(14.2V/600W)时效率可达到90.5%。 

2. 电压环采用硬件PID调节实现恒压控制，电流环实现短路保护控制。电压环采用PID调节，不仅能提高恒压的精度，而且还有较快的响应速度和很低的超调量。利用电流环实现短路保护，这样在出现短路故障时系统能够以最快的速度关闭功率器件的脉冲。

附图说明

图1是本实用新型纯电动汽车直流变换器的系统结构框图；

图2为本实用新型纯电动汽车直流变换器的功率并联单元结构框图；

图3为本实用新型纯电动汽车直流变换器的功率单元工作原理图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实用新型的纯电动汽车直流变换器，是一种宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用DC-DC变换器，主要由电性连接的输入控制继电器1、功率并联单元2、EMI处理单元3、输出控制继电器4以及控制和保护单元5组成。

输入控制继电器1在控制和保护单元5检测到系统有不正常时，如过压、过流、过热、输出电池反接或者短路现象时，输入控制继电器1断电，使电源系统的输入电压为0。

功率并联单元2主要由两个相互独立的功率单元并联组成，其中每一个功率单元由DC-AC变换单元21、高频隔离单元22、全波整流单元23以及低通滤波单元24组成。

DC-AC变换单元21采用新型的拓扑结构，在高频变压器一次侧和二次侧均设有两个相互独立的绕组，其中变压器一次侧两个相互独立的绕组并联，采用带中心抽头的变压器的逆变电路结构，实现直流到交流的变换。该拓扑结构能够形成的基础是变压器一次侧和二次侧都绕制成两个相互独立的绕组，实际使用时将该变压器一次侧的两个相互独立的绕组连接成并联的形式，有了这个结构以后采用带中心抽头变压器的逆变电路，这样对于桥式电路而言，设计的驱动电路就不用隔离，控制和使用起来就大大简化，从而实现直流到交流的变换，克服了传统的单相半桥或者单相全桥逆变器要么主电路结构复杂，要么驱动电路需要隔离的缺点，新型的拓扑结构实现了主电路结构简单，控制驱动简化的优点，大大降低了整个变换器的成本，同时提高了系统的可靠性。

高频隔离单元22主要通过高频变压器，结合高频开关器件和控制器件的开特性，在控制性能和效率最优的情况下设计变压器的参数，实现整流侧的最佳控制电压。

全波整流单元23利用单相全波整流电路实现将高频交流电变换成脉动直流电。

滤波单元24采用单相全波高频整流和无源低通滤波，实现高频交流电压到恒定直流的变换。

EMI处理单元3用于处理电磁干扰：电源在工作时，输出整流二极管处于高频通断状态，对变压器二次侧处于间断性取电，极易产生电磁干扰，EMI处理单元以致输出端的传导共模干扰。

输出控制继电器4主要用于检测输出电池的状态来控制电源的工作状态，控制和保护单元5检测到接上电池，并且电池电压达到正常工作电压时才启动电源系统工作。

控制和保护单元5主要实现脉宽调制脉冲的产生、恒压过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、输入反接保护以及输出反接保护功能。该单元采用TI公司的TL494CN产生PWM波，同时通过调节其同相输入端和反向输入端的电压差来调节脉冲的宽度，DC-DC变换器的输入电压范围为120V~262V，以实现系统稳定可靠的输出。

工作过程：

1、功率单元工作过程：

每一个功率单元的工作过程：DC-AC变换单元21将直流电变成交流电，高频隔离单元22，将DC-AC变换单元21输出的高频脉冲电隔离变换成低压的高频脉冲电，全波整流单元23将低压的高频脉冲电变换成脉动的直流电，滤波单元24将脉动的直流电变换成平滑恒定的直流电。

结合附图3进一步说明每一个功率单元的工作原理：电源接通后，系统进入软启动模式，PWM1的占空比缓慢的由0增加到设定的稳定电压为止，PWM1为高电平时，PWM2为低电平时，MOS管Q1导通，MOS管Q2截止，变压器一次侧的电流的流动路径为电池E-变压器一次侧绕组N1-MOS管Q1-电源地，变压器二次侧二极管D1导通，二极管D2截止，此时电流的流通路径为变压器二次侧绕组N3-二极管D1-滤波电感L1-滤波电容C及并联负载，当二极管D1截止时，此时电流的流通路径为滤波电容C-负载-滤波电容。

PWM2为高电平时，PWM1为低电平时，Q2导通，Q1截止，变压器一次侧的电流的流动路径为电池E-变压器一次侧绕组N2-MOS管Q2-电源地，变压器二次侧二极管D2导通，二极管D1截止，此时电流的流通路径为变压器二次侧绕组N4-二极管D2-滤波电感L1-滤波电容C及并联负载，当二极管D2截止时，此时电流的流通路径为滤波电容C-负载-滤波电容。见附图 1。

2、整机的工作过程:

电动汽车电源主开关合上后，控制和保护单元对系统进行自检，同时判断输出电池是否接上，电池电压是否足够，自诊断确认正常以后，输入继电器1合上，DC-AC变换单元21将直流电变成交流电，高频隔离单元22，将DC-AC变换单元21输出的高频脉冲电隔离变换成低压的高频脉冲电，全波整流单元23将低压的高频脉冲电变换成脉动的直流电，滤波单元24将脉动的直流电变换成平滑恒定的直流电，EMI处理单元3滤除平滑直流电的毛刺，同时抑制输出对电源的干扰，控制和保护单元检测到输出电池的状态正常后让输出控制继电器4合上，系统进入正常工作模式。

电动汽车电源主开关合上后，控制和保护单元5通过硬件电路实现系统初始状态的自诊断，检测输出端电池是否接上，输出电池是否反接，输出是否短路，检测输入电压是否反接，如果有一个出现故障则系统不启动。

自诊断确认正常以后，输入继电器1合上，进入正常工作模式，通过功率单元2的并联实现向负载提供能量。

在工作过程中，控制和保护单元5检测是否有出现输出过压、输出过流以及过热的情况，一旦出现则进入保护工作模式。保护工作模式中，当出现输出过压和过流时，控制单元5立即切断脉冲和输入继电器1，经过一定时间的延时后，如果故障排除，系统自动恢复进入正常工作模式。

有益效果：

本实用新型是一种用于电动汽车的新型直流变换装置，采用基于功率单元并联的纯电动车用DC-DC变换器恒压控制原理、硬件PID、高频逆变、整流和滤波技术，实现变换器宽输入、高效，性能可靠，降低电动汽车的使用成本、积极推动了电动汽车的产业化进程。

非因此局限本实用新型的保护范围，故举凡运用本实用新型说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述变换器是宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用直流变换器，主要由电性连接的输入控制继电器、功率并联单元、EMI处理单元、输出控制继电器以及控制和保护单元组成。

2.如权利要求1所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述功率并联单元主要由两个相互独立的功率单元并联组成，其中每一个功率单元由直流交流变换单元、高频隔离单元、全波整流单元以及滤波单元电性连接组成。

3.如权利要求2所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述直流交流变换单元的拓扑结构为在高频变压器一次侧和二次侧均有两个相互独立的绕组，所述变压器一次侧的两个相互独立的绕组并联连接，采用带中心抽头的变压器的逆变电路结构，实现直流到交流的变换。

4.如权利要求2所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述高频隔离单元主要通过高频变压器，结合高频开关器件和控制器件的开特性，在控制性能和效率最优的情况下设计变压器的参数，实现整流侧的最佳控制电压。

5.如权利要求2所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述全波整流单元利用单相全波整流电路实现将高频交流电变换成脉动直流电。

6.如权利要求2所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述滤波单元采用单相全波高频整流和无源低通滤波，实现高频交流电压到恒定直流的变换。

7.如权利要求1所述的纯电动汽车直流变换器，其特征在于：所述控制和保护单元具有脉宽调制脉冲的产生、恒压过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、输入反接保护以及输出反接保护功能。

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