專(zhuān)利名稱(chēng)：純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于純電動(dòng)汽車(chē)直流變換的裝置，利用本裝置對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的電池輸出電壓進(jìn)行變換，為后級(jí)用電設(shè)備供電。該裝置適用于各種不同功率的電動(dòng)汽車(chē)的直流變換。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量和保有量都保持著高速穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢(shì)。有專(zhuān)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(chē)行業(yè)發(fā)展的制約因素。我國(guó)汽車(chē)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(chē)以清潔的、可再生的能源為動(dòng)力，必將成為汽車(chē)大家庭中的重要成員。電動(dòng)汽車(chē)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，波動(dòng)范圍一般來(lái)都在24V 90V之間，而后級(jí)電壓一般都要求穩(wěn)壓在MV以及MV以?xún)?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0.3V以?xún)?nèi)。鑒于車(chē)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(chē)載重量以及運(yùn)行速度的提高，對(duì)車(chē)載電源功率以及車(chē)載電源的要求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車(chē)用車(chē)載電源一般采用逆變器加工頻變壓器的方案，它存在體積大、效率低等缺陷。隨著新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)工頻變壓器的逆變電路，可以很好地解決傳統(tǒng)車(chē)載電源存在的問(wèn)題，同時(shí)能保證車(chē)載電源的輸出電壓更穩(wěn)定、更平滑。鑒于上文所述，結(jié)合現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)車(chē)載裝置的特殊要求，吸收傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車(chē)用DC-DC變換器的優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行恒壓閉環(huán)控制時(shí)，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?xún)r(jià)比。因此，研發(fā)出在車(chē)載動(dòng)力電源供電下基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)用DC-DC變換器，對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行效率將具有明顯重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車(chē)用DC-DC變換器不能適應(yīng)現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)的要求，而提出一種針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)而設(shè)計(jì)的基于功率單元并聯(lián)的降壓型直流變換器，以能適用于各種用于不同型號(hào)、不同功率的純電動(dòng)汽車(chē)，并可通過(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(chē)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)用新型是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的上述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，是寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)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。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述功率并聯(lián)單元主要由兩個(gè)相互獨(dú)立的功率單元并聯(lián)組成，其中每一個(gè)功率單元由直流交流變換單元、高頻隔離單元、全波整流單元以及低通濾波單元電性連接組成。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述直流交流變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為在高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)均有兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組，所述變壓器一次側(cè)的兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組并聯(lián)連接，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。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述高頻隔離單元主要通過(guò)高頻變壓器， 結(jié)合高頻開(kāi)關(guān)器件和控制器件的開(kāi)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。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述全波整流單元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。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述整流濾波單元采用單相全波高頻整流和無(wú)源低通濾波，實(shí)現(xiàn)高頻交流電壓到恒定直流的變換。所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其中所述控制和保護(hù)單元具有脈寬調(diào)制脈沖的產(chǎn)生、恒壓過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、輸入反接保護(hù)以及輸出反接保護(hù)功能。有益效果1.該電動(dòng)汽車(chē)用直流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%。2.電壓環(huán)采用硬件PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，電流環(huán)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)控制。電壓環(huán)采用PID調(diào)節(jié)，不僅能提高恒壓的精度，而且還有較快的響應(yīng)速度和很低的超調(diào)量。利用電流環(huán)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，這樣在出現(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。

圖1是本實(shí)用新型純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器的功率并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本實(shí)用新型純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器的功率單元工作原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1至圖3所示，本實(shí)用新型的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，是一種寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)用DC-DC變換器，主要由電性連接的輸入控制繼電器1、功率并聯(lián)單元2、EMI處理單元3、輸出控制繼電器4以及控制和保護(hù)單元5組成。輸入控制繼電器1在控制和保護(hù)單元5檢測(cè)到系統(tǒng)有不正常時(shí)，如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、輸出電池反接或者短路現(xiàn)象時(shí)，輸入控制繼電器1斷電，使電源系統(tǒng)的輸入電壓為0。功率并聯(lián)單元2主要由兩個(gè)相互獨(dú)立的功率單元并聯(lián)組成，其中每一個(gè)功率單元由DC-AC變換單元21、高頻隔離單元22、全波整流單元23以及低通濾波單元24組成。 DC-AC變換單元21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。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠形成的基礎(chǔ)是變壓器一次側(cè)和二次側(cè)都繞制成兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組，實(shí)際使用時(shí)將該變壓器一次側(cè)的兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組連接成并聯(lián)的形式，有了這個(gè)結(jié)構(gòu)以后采用帶中心抽頭變壓器的逆變電路，這樣對(duì)于橋式電路而言，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路就不用隔離，控制和使用起來(lái)就大大簡(jiǎn)化，從而實(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。高頻隔離單元22主要通過(guò)高頻變壓器，結(jié)合高頻開(kāi)關(guān)器件和控制器件的開(kāi)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。全波整流單元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。濾波單元24采用單相全波高頻整流和無(wú)源低通濾波，實(shí)現(xiàn)高頻交流電壓到恒定直流的變換。EMI處理單元3用于處理電磁干擾電源在工作時(shí)，輸出整流二極管處于高頻通斷狀態(tài)，對(duì)變壓器二次側(cè)處于間斷性取電，極易產(chǎn)生電磁干擾，EMI處理單元以致輸出端的傳導(dǎo)共模干擾。輸出控制繼電器4主要用于檢測(cè)輸出電池的狀態(tài)來(lái)控制電源的工作狀態(tài)，控制和保護(hù)單元5檢測(cè)到接上電池，并且電池電壓達(dá)到正常工作電壓時(shí)才啟動(dòng)電源系統(tǒng)工作?？刂坪捅Ｗo(hù)單元5主要實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制脈沖的產(chǎn)生、恒壓過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、輸入反接保護(hù)以及輸出反接保護(hù)功能。該單元采用TI公司的TL494CN產(chǎn)生PWM波，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)其同相輸入端和反向輸入端的電壓差來(lái)調(diào)節(jié)脈沖的寬度，DC-DC變換器的輸入電壓范圍為120V 262V，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的輸出。工作過(guò)程1、功率單元工作過(guò)程每一個(gè)功率單元的工作過(guò)程DC-AC變換單元21將直流電變成交流電，高頻隔離單元22，將DC-AC變換單元21輸出的高頻脈沖電隔離變換成低壓的高頻脈沖電，全波整流單元23將低壓的高頻脈沖電變換成脈動(dòng)的直流電，濾波單元24將脈動(dòng)的直流電變換成平滑恒定的直流電。結(jié)合附圖3進(jìn)一步說(shuō)明每一個(gè)功率單元的工作原理電源接通后，系統(tǒng)進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，PWMl的占空比緩慢的由0增加到設(shè)定的穩(wěn)定電壓為止，PWMl為高電平時(shí)，PWM2為低電平時(shí)，MOS管Ql導(dǎo)通，MOS管Q2截止，變壓器一次側(cè)的電流的流動(dòng)路徑為電池E-變壓器一次側(cè)繞組W-MOS管Ql-電源地，變壓器二次側(cè)二極管Dl導(dǎo)通，二極管D2截止，此時(shí)電流的流通路徑為變壓器二次側(cè)繞組N3- 二極管Dl-濾波電感Ll-濾波電容C及并聯(lián)負(fù)載， 當(dāng)二極管Dl截止時(shí)，此時(shí)電流的流通路徑為濾波電容C-負(fù)載-濾波電容。PWM2為高電平時(shí)，PWMl為低電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，Ql截止，變壓器一次側(cè)的電流的流動(dòng)路徑為電池E-變壓器一次側(cè)繞組N2-M0S管Q2-電源地，變壓器二次側(cè)二極管D2導(dǎo)通， 二極管Dl截止，此時(shí)電流的流通路徑為變壓器二次側(cè)繞組N4- 二極管D2-濾波電感Ll-濾波電容C及并聯(lián)負(fù)載，當(dāng)二極管D2截止時(shí)，此時(shí)電流的流通路徑為濾波電容C-負(fù)載-濾波電容。見(jiàn)附圖1。2、整機(jī)的工作過(guò)程電動(dòng)汽車(chē)電源主開(kāi)關(guān)合上后，控制和保護(hù)單元對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，同時(shí)判斷輸出電池是否接上，電池電壓是否足夠，自診斷確認(rèn)正常以后，輸入繼電器1合上，DC-AC變換單元 21將直流電變成交流電，高頻隔離單元22，將DC-AC變換單元21輸出的高頻脈沖電隔離變換成低壓的高頻脈沖電，全波整流單元23將低壓的高頻脈沖電變換成脈動(dòng)的直流電，濾波單元24將脈動(dòng)的直流電變換成平滑恒定的直流電，EMI處理單元3濾除平滑直流電的毛刺， 同時(shí)抑制輸出對(duì)電源的干擾，控制和保護(hù)單元檢測(cè)到輸出電池的狀態(tài)正常后讓輸出控制繼電器4合上，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式。電動(dòng)汽車(chē)電源主開(kāi)關(guān)合上后，控制和保護(hù)單元5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，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，輸入繼電器1合上，進(jìn)入正常工作模式，通過(guò)功率單元2的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)向負(fù)載提供能量。在工作過(guò)程中，控制和保護(hù)單元5檢測(cè)是否有出現(xiàn)輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流以及過(guò)熱的情況，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)輸出過(guò)壓和過(guò)流時(shí)，控制單元5立即切斷脈沖和輸入繼電器1，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。有益效果本實(shí)用新型是一種用于電動(dòng)汽車(chē)的新型直流變換裝置，采用基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)用DC-DC變換器恒壓控制原理、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，性能可靠，降低電動(dòng)汽車(chē)的使用成本、積極推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。非因此局限本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，故舉凡運(yùn)用本實(shí)用新型說(shuō)明書(shū)及圖示內(nèi)容所為的等效技術(shù)變化，均包含于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述變換器是寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)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。
2.如權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述功率并聯(lián)單元主要由兩個(gè)相互獨(dú)立的功率單元并聯(lián)組成，其中每一個(gè)功率單元由直流交流變換單元、高頻隔離單元、全波整流單元以及濾波單元電性連接組成。
3.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述直流交流變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為在高頻變壓器一次側(cè)和二次側(cè)均有兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組，所述變壓器一次側(cè)的兩個(gè)相互獨(dú)立的繞組并聯(lián)連接，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。
4.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述高頻隔離單元主要通過(guò)高頻變壓器，結(jié)合高頻開(kāi)關(guān)器件和控制器件的開(kāi)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。
5.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述全波整流單元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。
6.如權(quán)利要求2所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述濾波單元采用單相全波高頻整流和無(wú)源低通濾波，實(shí)現(xiàn)高頻交流電壓到恒定直流的變換。
7.如權(quán)利要求1所述的純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，其特征在于所述控制和保護(hù)單元具有脈寬調(diào)制脈沖的產(chǎn)生、恒壓過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、輸入反接保護(hù)以及輸出反接保護(hù)功能。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種純電動(dòng)汽車(chē)直流變換器，是寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動(dòng)車(chē)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。
文檔編號(hào)H02H7/10GK202050363SQ20112015709
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉杰, 姜木霖, 梅建偉, 蔣偉容 申請(qǐng)人:湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院