專利名稱：純電動(dòng)汽車用直流變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于純電動(dòng)汽車直流變換的裝置，利用本裝置對(duì)純電動(dòng)汽車的電池輸出電壓進(jìn)行變換，為后級(jí)用電設(shè)備供電。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量和保有量都保持著高速穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢(shì)。有專家指出，按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，我國(guó)的燃油生產(chǎn)將面臨更大的壓力，能源供應(yīng)及環(huán)境的壓力正在成為汽車行業(yè)發(fā)展的制約因素。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，必然要走發(fā)展更清潔更節(jié)能之路。電動(dòng)汽車以清潔的、可再生的能源為動(dòng)力，必將成為汽車大家庭中的重要成員。電動(dòng)汽車的電源多為電池，因電池組的輸出電壓波動(dòng)范圍大，且供電單元的電池?cái)?shù)量不一樣，電壓波動(dòng)范圍是不一樣的，而后級(jí)電壓一般都要求穩(wěn)壓在24V以及24V以內(nèi)的電壓水平，在負(fù)載從空載到滿載以及輸入從最小電壓到最大電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)范圍在0. 2V以內(nèi)。鑒于車載特殊的使用場(chǎng)合，要求該變換器必須具備應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能和性能，而且也要滿足對(duì)體積、效率、重量、可靠性、電磁干擾與抗干擾性、熱性能、噪聲等方面的特殊要求。隨著電動(dòng)汽車載重量以及運(yùn)行速度的提高，對(duì)車載電源功率以及車載電源的要求越來(lái)越高。結(jié)合現(xiàn)代純電動(dòng)汽車對(duì)車載裝置的特殊要求，吸收傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車用DC-DC變換器的優(yōu)勢(shì)，采用功率單元并聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)功率大、體積小的DC轉(zhuǎn)換器，可以極大的提高系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比。研究在車載動(dòng)力電源供電下，基于功率單元并聯(lián)技術(shù)、基于工況的多模式控制技術(shù)和優(yōu)化保護(hù)功能的純電動(dòng)車用DC-DC變換器，對(duì)提高電動(dòng)汽車的運(yùn)行效率有明顯重要的意義。鑒于此，本申請(qǐng)人申請(qǐng)了實(shí)用新型專利“純電動(dòng)汽車直流變換器”(專利號(hào)201120157092. 6)，是寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車用直流變換器，主要由電性連接的輸入控制繼電器、功率并聯(lián)單元、EMI處理單元、輸出控制繼電器以及控制和保護(hù)單元組成。該變換器的功率單元并聯(lián)和脈沖控制芯片，不僅變換器體積小，還能顯著提高工作效率；能夠按照輸入電壓的波動(dòng)情況以及負(fù)載的變化特征，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓和環(huán)流抑制；出現(xiàn)短路故障時(shí)系統(tǒng)能夠以最快的速度關(guān)閉功率器件的脈沖。然而，該技術(shù)方案還存在有以下不足一、由于電動(dòng)汽車用直流變換器的輸入電源為電池，同時(shí)輸出端也要接電池進(jìn)行穩(wěn)壓，由于輸出端電池電量隨機(jī)性，如果直流變換器工作在恒壓模式，在啟動(dòng)瞬間，直流變換器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，這時(shí)直流變換器就會(huì)通過(guò)控制和保護(hù)模塊關(guān)閉輸入控制開關(guān)，等待故障排除后才重新啟動(dòng)，這樣就會(huì)造成直流變換器頻繁的啟動(dòng)、關(guān)閉，極大的降低了直流變換器的可靠性。二、在運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到有異常信號(hào)時(shí)，僅僅切斷電源，等待故障排除后重新啟動(dòng)，這樣就失去了軟啟動(dòng)功能，同時(shí)在輸出電池欠壓時(shí)易造成頻繁啟動(dòng)與停止，造成輸出開關(guān)控制模塊老化。[0008]因此，該直流變換器的工作模式和保護(hù)功能還有待進(jìn)一步優(yōu)化，可靠性和實(shí)用性還需提聞。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新 型為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種針對(duì)純電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)的基于功率單元并聯(lián)技術(shù)和工況的多模式控制技術(shù)的隔離降壓型DC-DC變換器，以適用于各種不同型號(hào)、不同功率的純電動(dòng)汽車，并確保輸出電壓精度和效率。本實(shí)用新型是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的上述純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，包括電性連接的輸入開關(guān)控制模塊、功率并聯(lián)單元、EMI處理模塊和控制和保護(hù)模塊；所述直流變換裝置還包括與上述模塊電性連接的信號(hào)采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述功率并聯(lián)單元主要由并聯(lián)的兩組模塊組成，其中每組模塊由高頻逆變模塊、高頻隔離模塊、全波變換模塊和無(wú)源濾波模塊串聯(lián)構(gòu)成。所述高頻逆變模塊實(shí)現(xiàn)恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。所述無(wú)源濾波模塊采用無(wú)源濾波電路實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述EMI處理模塊抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述信號(hào)采集模塊采集電池電壓和試充電電流，并且將采集到的信號(hào)輸出到所述的模式轉(zhuǎn)換模塊和控制和保護(hù)模塊。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述模式轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)以及供電電源的電壓值，轉(zhuǎn)換該直流變換裝置的進(jìn)入恒流工作模式、恒壓工作模式或保護(hù)工作模式。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述控制和保護(hù)模塊具有系統(tǒng)開機(jī)前的狀態(tài)檢測(cè)以及自診斷、為所述驅(qū)動(dòng)模塊提供四路PWM、調(diào)節(jié)脈沖的寬度、電壓以及電流分析、模式轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)輸入電池反接保護(hù)和電壓欠壓保護(hù)、輸出電池反接保護(hù)和電壓欠壓模式轉(zhuǎn)換、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)功能。所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)模塊將所述控制和保護(hù)模塊輸出的四路PWM波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號(hào)。所述驅(qū)動(dòng)模塊還有檢測(cè)IGBT短路故障的功能。有益效果用于純電動(dòng)汽車直流變換的裝置，對(duì)純電動(dòng)汽車的電池輸出電壓進(jìn)行變換，為后級(jí)用電設(shè)備供電。該改進(jìn)型純電動(dòng)汽車用直流變換裝置對(duì)直流變換器的工作模式、輸入開關(guān)控制模塊以及保護(hù)功能進(jìn)行優(yōu)化，提高了裝置的可靠性和適用性。該裝置適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車的直流變換，能適用于各種用于不同型號(hào)、不同功率的純電動(dòng)汽車，通過(guò)更換部分零件和設(shè)定部分參數(shù)可以滿足各種電動(dòng)汽車的對(duì)DC-DC變換器的要求，并確保該變換器輸出電壓精度高，適應(yīng)好，效率高。本實(shí)用新型優(yōu)化了直流變換器的工作模式、輸入開關(guān)控制模塊以及保護(hù)功能，新研制的電源裝置可靠性和實(shí)用性大大提高。
圖I是本實(shí)用新型電動(dòng)汽車用直流變換裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型電動(dòng)汽車用直流變換裝置的功率單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
如圖I、圖2所示，本實(shí)用新型的電動(dòng)汽車用直流變換裝置，主要由輸入開關(guān)控制模塊I、功率單元2、EMI處理模塊3、信號(hào)采集模塊4、模式轉(zhuǎn)換模塊5、控制和保護(hù)模塊6以及驅(qū)動(dòng)模塊7組成。輸入開關(guān)控制模塊I用于狀態(tài)檢測(cè)正常后開關(guān)閉合，故障時(shí)斷開開關(guān)；如圖2所示，功率單元2采用功率單元并聯(lián)技術(shù)，包括并聯(lián)的兩組模塊，該兩組模 塊的每組包括依次串聯(lián)的高頻逆變模塊21、高頻隔離模塊22、全波變換模塊23和無(wú)源濾波模塊24。高頻逆變模塊21實(shí)現(xiàn)將恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓，采用新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)均設(shè)有兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組，其中變壓器一次側(cè)兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組并聯(lián)，采用帶中心抽頭的變壓器的逆變電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，克服了傳統(tǒng)的單相半橋或者單相全橋逆變器要么主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要么驅(qū)動(dòng)電路需要隔離的缺點(diǎn)，新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，大大降低了整個(gè)變換器的成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性；高頻隔離模塊22主要通過(guò)高頻變壓器，結(jié)合高頻開關(guān)器件和控制器件的開特性，在控制性能和效率最優(yōu)的情況下設(shè)計(jì)變壓器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整流側(cè)的最佳控制電壓。全波變換模塊23利用單相全波整流電路實(shí)現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動(dòng)直流電。無(wú)源濾波模塊24采用無(wú)源濾波電路，實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。EMI處理模塊3抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾. 信號(hào)采集模塊4采集電池電壓和試充電電流，并且將采集到的信號(hào)輸出到模式轉(zhuǎn)換模塊5和控制和保護(hù)模塊6，以判斷輸入電池是否欠壓、輸入電池是否接反，輸出電池是否欠壓、輸出電池是否接反，輸出是否過(guò)壓、過(guò)流，輸出是否短路。模式轉(zhuǎn)換模塊5根據(jù)信號(hào)采集模塊4采集輸出的電池電壓的值、試充電電流的大小以及供電電源的電壓值，判斷直流變換裝置的狀態(tài)，分別進(jìn)入不同的工作模式如果輸出電池處于嚴(yán)重欠壓狀態(tài)，則直流變換器工作恒流模式，對(duì)電池進(jìn)行充電，直到電池電壓達(dá)到合適工作電壓后轉(zhuǎn)入恒壓工作模式，若系統(tǒng)檢測(cè)有故障則進(jìn)入保護(hù)工作模式。控制和保護(hù)模塊6主要實(shí)現(xiàn)以下功能系統(tǒng)開機(jī)前的狀態(tài)檢測(cè)以及自診斷、為驅(qū)動(dòng)模塊7提供四路PWM、調(diào)節(jié)脈沖的寬度、電壓以及電流分析、模式轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)輸入電池反接保護(hù)和電壓欠壓保護(hù)、輸出電池反接保護(hù)和電壓欠壓模式轉(zhuǎn)換、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)。驅(qū)動(dòng)模塊7的功能將控制和保護(hù)模塊6輸出的四路PWM波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊7同時(shí)還有檢測(cè)IGBT短路故障的功能。工作過(guò)程電動(dòng)汽車電源主開關(guān)合上后，控制和保護(hù)模塊6開始進(jìn)行自檢，進(jìn)入自診斷模式，通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始狀態(tài)的自診斷，檢測(cè)輸出端電池是否接上，輸出電池是否反接，輸出是否短路，檢測(cè)輸入電壓是否反接，檢測(cè)輸入電壓是否欠壓，如果有一個(gè)出現(xiàn)故障則系統(tǒng)不啟動(dòng)。自診斷確認(rèn)正常以后，控制和保護(hù)模塊6向輸入開關(guān)控制模塊I發(fā)出控制信號(hào)，直流變換裝置進(jìn)入啟動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)模塊7工作，控制和保護(hù)模塊6通過(guò)分析信號(hào)采集模塊4提供的電池電壓和試充電電流，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換模塊5確定直流變換裝置的工作模式，若輸出電池欠壓則直流變換裝置工作在恒流工作模式，否則進(jìn)入恒壓工作模式。在正常工作模式，輸入電壓通過(guò)輸入開關(guān)控制模塊I、功率單元2 (高頻逆變模塊21、高頻隔離模塊22、全波變換模塊23和無(wú)源濾波模塊24)以及EMI處理模塊3，將高壓直流電變換成低壓直流電給輸出電池和負(fù)載供電。在工作過(guò)程中，控制和保護(hù)模塊6檢測(cè)是否有出現(xiàn)輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流、開關(guān)管過(guò)熱、輸入電壓不正常等情況，一旦出現(xiàn)則進(jìn)入保護(hù)工作模式。保護(hù)工作模式中，當(dāng)出現(xiàn)此類故障時(shí)，控制和保護(hù)模塊6進(jìn)入故障保護(hù)處理工作流程，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)后，如果故障排除，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)進(jìn)入正常工作模式。本實(shí)用新型的電動(dòng)汽車用直流變換裝置具有以下特點(diǎn)I.基于工況的多模式控制技術(shù)根據(jù)電池電壓的值和試充電電流的大小，判斷電池狀態(tài)，如果電池處于嚴(yán)重欠壓狀態(tài)，則直流變換器工作恒流模式，對(duì)電池進(jìn)行充電，直到電池電壓達(dá)到合適工作電壓后轉(zhuǎn)入恒壓工作模式。2.功率單元并聯(lián)技術(shù)該電動(dòng)汽車用DC-DC變換器使用采用功率單元并聯(lián)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和脈沖控制芯片，采用輸出電壓和輸出電流雙閉環(huán)控制，按照輸入電壓的波動(dòng)情況以及負(fù)載的變化特征，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓和環(huán)流抑制，同時(shí)變換器具有良好的性能指標(biāo)。采用功率單元并聯(lián)技術(shù)不僅能減小變換器的體積，而且還能顯著提高其工作效率，經(jīng)實(shí)際測(cè)試在滿載(14. 2V/600W)時(shí)效率可達(dá)到90. 5%。3.保護(hù)功能邏輯優(yōu)化對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)入運(yùn)行模式后，如果檢測(cè)到輸出電池欠壓就進(jìn)入恒流模式，當(dāng)電壓升到13V以上后進(jìn)入恒壓模式，同時(shí)檢測(cè)負(fù)載狀態(tài)和輸入電池狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)，立即關(guān)閉脈沖同時(shí)斷開主回路供電，等待2S后若故障排除則重新啟動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入啟動(dòng)模式，啟動(dòng)模式結(jié)束后進(jìn)入正常工作模式。本實(shí)用新型采用基于功率單元并聯(lián)技術(shù)、基于工況的多模式控制技術(shù)的純電動(dòng)車用DC-DC變換器控制原理、硬件PID、高頻逆變、整流和濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變換器寬輸入、高效率，性能可靠。采用多模式控制技術(shù)和脈沖閉鎖功能提高了系統(tǒng)的可靠性，降低電動(dòng)汽車的使用成本，促進(jìn)了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
權(quán)利要求1.一種純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，包括電性連接的輸入開關(guān)控制模塊、功率并聯(lián)單元、EMI處理模塊和控制和保護(hù)模塊；其特征在于所述直流變換裝置還包括與上述模塊電性連接的信號(hào)采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述功率并聯(lián)單元主要由并聯(lián)的兩組模塊組成，其中每組模塊由高頻逆變模塊、高頻隔離模塊、全波變換模塊和無(wú)源濾波模塊串聯(lián)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述高頻逆變模塊實(shí)現(xiàn)恒定直流電壓經(jīng)過(guò)電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。
4.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述無(wú)源濾波模塊采用無(wú)源濾波電路實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)直流電變換成恒定的直流電。
5.如權(quán)利要求I所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述EMI處理模塊抑制變壓器二次側(cè)的傳導(dǎo)干擾。
6.如權(quán)利要求I所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述信號(hào)采集模塊采集電池電壓和試充電電流，并且將采集到的信號(hào)輸出到所述的模式轉(zhuǎn)換模塊和控制和保護(hù)模塊。
7.如權(quán)利要求I或6所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述模式轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)以及供電電源的電壓值，轉(zhuǎn)換該直流變換裝置的進(jìn)入恒流工作模式、恒壓工作模式或保護(hù)工作模式。
8.如權(quán)利要求I所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述控制和保護(hù)模塊具有系統(tǒng)開機(jī)前的狀態(tài)檢測(cè)以及自診斷、為所述驅(qū)動(dòng)模塊提供四路PWM、調(diào)節(jié)脈沖的寬度、電壓以及電流分析、模式轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)輸入電池反接保護(hù)和電壓欠壓保護(hù)、輸出電池反接保護(hù)和電壓欠壓模式轉(zhuǎn)換、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)功能。
9.如權(quán)利要求8所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)模塊將所述控制和保護(hù)模塊輸出的四路PWM波形功率放大和電壓放大，同時(shí)提供相互獨(dú)立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)模塊還有檢測(cè)IGBT短路故障的功能。
專利摘要本實(shí)用新型涉及純電動(dòng)汽車用直流變換裝置，其包括電性連接的輸入開關(guān)控制模塊、功率并聯(lián)單元、EMI處理模塊和控制和保護(hù)模塊；所述直流變換裝置還包括與上述模塊電性連接的信號(hào)采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。該裝置對(duì)純電動(dòng)汽車的電池輸出電壓進(jìn)行變換，優(yōu)化了直流變換器的工作模式、輸入開關(guān)控制模塊以及保護(hù)功能，可靠性和實(shí)用性大大提高，適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車的直流變換，適應(yīng)好，效率高。
文檔編號(hào)H02M3/00GK202616993SQ20122015312
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者梅建偉, 姜木霖, 蔣偉榮, 史旅華, 趙榕 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院