CN203301376U - 车载直流转换总成 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及车载直流转换总成，其包括电性连接的输入开关控制模块、EMI处理模块、信号采集模块、驱动模块、模式转换模块、控制和保护模块、电流电拓扑模块及输出开关控制模块；所述电流馈电拓扑模块实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压；所述输出开关控制模块状态在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开输出开关。该总成实现宽输入、高效率直流变换，提高了装置的可靠性和适用性，降低电动汽车的使用成本，适用于宽直流电压输入的不同功率的电动汽车的车载直流变换。
Description
技术领域
本实用新型属于纯电动车技术领域，涉及一种用于纯电动汽车用的车载直流转换总成，以实现将车载电池高压直流转换成低压直流，为车载电器供电。
背景技术
随着我国经济的发展，电动汽车以清洁的、可再生的能源为动力正在成为汽车行业发展大家庭中的重要成员。电池作为电动汽车重要的动力来源，其输出电压波动范围大，而车载电器的工作电压为一稳定的低压直流，输出直流电压的波动范围在0.2V以内。
鉴于车载特殊的使用场合，对车载电源功率以及车载电源的要求越来越高，要求该转换总成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。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，采用电流馈电拓扑结构、电压电流双环控制策略，可以极大的提高系统的功率密度和可靠性。
在此前研究过程中，申请了关于纯电动汽车直流变换器的专利，其中在第201120157092.6号的纯电动汽车直流变换器专利中公开了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，使得变换器体积小，且能提高工作效率；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。然而，该直流变换器存在频繁的启动、关闭，极大的降低了直流变换器的可靠性；同时软启动功能使用有局限，输出开关控制模块易老化等问题，需要进一步优化工作模式和保护功能，提高可靠性和实用性。
于是通过优化后的第201220153122.0号专利中公开的纯电动汽车直流变换装置，其包括电性连接的输入开关控制模块、功率并联单元、EMI处理模块、控制和保护模块及与上述模块电性连接的信号采集模块、模式转换模块和驱动模块。该改进型纯电动汽车用直流变换装置，优化了直流变换器的工作模式、输入开关控制模块以及保护功能。然而该车载直流变换装置，输出功率在600W以下，当输出功率继续增大时变压器一次侧的电流增大，特别是在恒压恒流转换时刻极容易烧坏MOSFET；另外，虽然对保护工作模式的处理方法进行了优化，但是仍然出现了变压器一次侧MOSFET击穿的现象。
综上所诉，关于纯电动汽车直流变换装置在电动汽车低压电器运行可靠性和运行效率方面尚待进一步提高。
发明内容
本实用新型为了解决上述现有技术中存在的不足，而提供一种在车载动力电池电源供电下基于电流馈电拓扑结构、电压外环电流内环双闭环控制以及斜率补偿控制的纯电动车用的车载直流转换总成，以对提高电动汽车低压电器运行可靠性和运行效率。
本实用新型是通过以下方案实现的：
上述的车载直流转换总成，包括电性连接的输入开关控制模块、EMI处理模块、信号采集模块、驱动模块、模式转换模块以及控制和保护模块；所述车载直流转换总成还包括与上述模块电性连接的电流电拓扑模块及输出开关控制模块；所述电流馈电拓扑模块实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压；所述输出开关控制模块状态在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开输出开关。
所述的车载直流转换总成，其中：所述控制和保护模块用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动模块提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制以及斜率补偿控制；保护功能：实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护。所述控制和保护模块采用电压外环电流内环双闭环控制，同时MOSFET的峰值电流作为电流反馈环的一部分。所述电流环的反馈电流值分为三个部分：第一部分是输出电流的平均值，第二部份是振荡电容上电压波形，第三部份是MOSFET的峰值电流波形，采用斜率补偿控制技术。
所述的车载直流转换总成，其中：所述车载直流转换总成还包括输入开关驱动模块及输出开关驱动模块；所述输出开关驱动模块将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输出开关控制模块；所述输入开关驱动模块将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输入开关控制模块。
所述的车载直流转换总成，其中：所述输入开关控制模块在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开输入开关。
所述的车载直流转换总成，其中：所述EMI处理模块抑制变压器二次侧的传导干扰。
所述的车载直流转换总成，其中：所述信号采集模块采集输入电池是否欠压、输入电池是否接反，输出电池是否欠压、输出电池是否接反，输出是否过压、过流，输出是否短路，并且将采集到的信号输出到模式转换模块和控制和保护模块。
所述的车载直流转换总成，其中：所述驱动模块将控制和保护模块输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。
所述的车载直流转换总成，其中：所述模式转换模块根据电池电压的值、试充电电流的大小以及供电电源的电压值，判断直流变换装置的状态，如果输出电池处于严重欠压状态，则直流变换器工作恒流模式，对电池进行充电，直到电池电压达到合适工作电压后转入恒压工作模式，若系统检测有故障则进入保护工作模式。
有益效果：
该纯电动汽车用直流转换总成，采用电流馈电拓扑结构、电压外环电流内环双环控制以及斜率补偿控制，实现宽输入、高效率直流变换，提高了装置的可靠性和适用性，降低电动汽车的使用成本。该装置适用于宽直流电压输入的不同功率的电动汽车的车载直流变换。具有以下技术创新点：
1．基于电流馈电拓扑结构
采用电流馈电拓扑结构，将电池直流电压转换成直流电流，构成一个电流型逆变器，完全避免了隔离变压器出现的偏磁现象；同时采用电流馈电拓扑结构，不需要整流输出滤波电感，大大减小了车载电源体积和成本，也避免了前期研制的车载直流变换装置输出滤波电感发热的问题；
2. 斜率补偿控制技术
电流环的反馈电流值分为三个部分：第一部分是输出电流的平均值，第二部份是振荡电容上电压波形，第二部份是MOSFET的峰值电流波形，采用斜率补偿控制技术，对提高系统的稳定性和动态响应速度起着重要作用；
3. 电压外环电流内环双闭环控制策略
采用电压外环电流内环双闭环控制策略，同时MOSFET的峰值电流作为电流反馈环的一部分，限制了MOSFET的最大电流，提高了控制系统的可靠性。
附图说明
图1是本实用新型车载直流转换总成的系统结构框图；
图2是本实用新型车载直流转换总成的电流馈电拓扑图；
图3是本实用新型车载直流转换总成的双闭环控制原理图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实用新型的车载直流转换总成，主要由输入开关控制模块1、电流电拓扑模块2、EMI处理模块3、信号采集模块4、驱动模块5、输入开关驱动模块6、输出开关控制模块7、输出开关驱动模块8、模式转换模块9以及控制和保护模块10组成。
输入开关控制模块1在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开开关；
电流馈电拓扑模块2实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压；
EMI处理模块3抑制变压器二次侧的传导干扰；
信号采集模块4采集输入电池是否欠压、输入电池是否接反，输出电池是否欠压、输出电池是否接反，输出是否过压、过流，输出是否短路，并且将采集到的信号输出到模式转换模块和控制和保护模块。
驱动模块5将控制和保护模块输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。
模式转换模块9根据电池电压的值、试充电电流的大小以及供电电源的电压值，判断直流变换装置的状态，如果输出电池处于严重欠压状态，则直流变换器工作恒流模式，对电池进行充电，直到电池电压达到合适工作电压后转入恒压工作模式，若系统检测有故障则进入保护工作模式。
控制和保护模块10用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动模块5提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制以及斜率补偿控制；保护功能：实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护。如图3所示，控制和保护模块10采用电压外环电流内环双闭环控制策略，同时MOSFET的峰值电流作为电流反馈环的一部分；其中电流环的反馈电流值分为三个部分：第一部分是输出电流的平均值，第二部份是振荡电容上电压波形，第二部份是MOSFET的峰值电流波形，采用斜率补偿控制技术；
输出开关控制模块7状态检测正常后开关闭合，故障时断开开关，与输入开关；
输出开关驱动模块8将控制和保护模块10发出的控制信号进行隔离放大来控制输出开关控制模块7；
输入开关驱动模块6将控制和保护模块10发出的控制信号进行隔离放大来控制输入开关控制模块1；
工作过程：
电动汽车电源主开关合上后，控制和保护模块10开始进行自检，进入自诊断模式，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，检测输入电压是否欠压，如果有一个出现故障则系统不启动。
自诊断确认正常以后，控制和保护模块10向输入开关控制模块1发出控制信号，直流变换装置进入启动模式，控制和保护模块10通过分析信号采集模块4提供的电池电压和试充电电流，确定直流变换装置的工作模式，若输出电池欠压则直流变换装置工作在恒流工作模式，否则进入恒压工作模式。
在正常工作模式，输入电压通过输入开关控制模块1、电流馈电拓扑模块2、EMI处理模块3，将高压直流电变换成低压直流电给输出电池和负载供电。
在工作过程中，控制和保护模10检测是否有出现输出过压、输出过流、开关管过热、输入电压不正常等情况，一旦出现则进入保护工作模式。保护工作模式中，当出现此类故障时，控制和保护模块10进入故障保护处理工作流程，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。
本实用新型采用电流馈电拓扑结构、电压外环电流内环双闭环控制策略以及斜率补偿控制，新研制的电源装置可靠性和实用性大大提高；具有以下技术创新点：
1．基于电流馈电拓扑结构
采用电流馈电拓扑结构，将电池直流电压转换成直流电流，构成一个电流型逆变器，完全避免了隔离变压器出现的偏磁现象；同时采用电流馈电拓扑结构，不需要整流输出滤波电感，大大减小了车载电源体积和成本，也避免了前期研制的车载直流变换装置输出滤波电感发热的问题；
2. 斜率补偿控制技术
电流环的反馈电流值分为三个部分：第一部分是输出电流的平均值，第二部份是振荡电容上电压波形，第二部份是MOSFET的峰值电流波形，采用斜率补偿控制技术，对提高系统的稳定性和动态响应速度起着重要作用；
3. 电压外环电流内环双闭环控制策略
采用电压外环电流内环双闭环控制策略，同时MOSFET的峰值电流作为电流反馈环的一部分，限制了MOSFET的最大电流，提高了控制系统的可靠性。
通过上述技术优化，本实用新型的电动汽车用的车载直流转换总成，采用电流馈电拓扑结构、电压外环电流内环双闭环控制策略以及斜率补偿控制技术的纯电动车用DC-DC变换器实现宽输入、高效率直流变换，提高了系统的可靠性，降低了电动汽车的使用成本。
Claims (10)
1.一种车载直流转换总成，包括电性连接的输入开关控制模块、EMI处理模块、信号采集模块、驱动模块、模式转换模块以及控制和保护模块；其特征在于：所述车载直流转换总成还包括与上述模块电性连接的电流电拓扑模块及输出开关控制模块；
所述电流馈电拓扑模块实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压；
所述输出开关控制模块状态在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开输出开关。
2.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述控制和保护模块用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动模块提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制以及斜率补偿控制；保护功能：实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护。
3.如权利要求2所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述控制和保护模块采用电压外环电流内环双闭环控制，同时MOSFET的峰值电流作为电流反馈环的一部分。
4.如权利要求3所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述电流环的反馈电流值分为三个部分：第一部分是输出电流的平均值，第二部份是振荡电容上电压波形，第三部份是MOSFET的峰值电流波形，采用斜率补偿控制技术。
5.如权利要求1或2所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述车载直流转换总成还包括输入开关驱动模块及输出开关驱动模块；
所述输出开关驱动模块将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输出开关控制模块；
所述输入开关驱动模块将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输入开关控制模块。
6.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述输入开关控制模块在主回路电源供电后，系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时断开输入开关。
7.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述EMI处理模块抑制变压器二次侧的传导干扰。
8.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述信号采集模块采集输入电池是否欠压、输入电池是否接反，输出电池是否欠压、输出电池是否接反，输出是否过压、过流，输出是否短路，并且将采集到的信号输出到模式转换模块和控制和保护模块。
9.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述驱动模块将控制和保护模块输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测IGBT短路故障的功能。
10.如权利要求1所述的车载直流转换总成，其特征在于：所述模式转换模块根据电池电压的值、试充电电流的大小以及供电电源的电压值，判断直流变换装置的状态，如果输出电池处于严重欠压状态，则直流变换器工作恒流模式，对电池进行充电，直到电池电压达到合适工作电压后转入恒压工作模式，若系统检测有故障则进入保护工作模式。
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