DCDC在電動汽車電氣系統(tǒng)中的一系列問題

DC/DC 變換器，作為電動汽動力系統(tǒng)中很重要的一部分，它的一類重要功用是為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，空調(diào)以及其他輔助設(shè)備提供所需的電力。另一類，是出現(xiàn)在復(fù)合電源系統(tǒng)中，與超級電容串聯(lián)，起到調(diào)節(jié)電源輸出，穩(wěn)定母線電壓的作用。

給車載電氣供電，DCDC在電動汽車電氣系統(tǒng)中的位置，如下圖所示。它的電能來自于動力電池包，去處是給車載用電器供電。
與超級電容配合使用的DCDC，在整車電源中的位置如下圖所示，它可能出現(xiàn)在圖（b）、（c）、（d）中所示位置上，而（b）是應(yīng)用較多的一種形式。

1、DC DC分類和工作原理
1.1 隔離型和非隔離型
什么是電氣隔離？
百度來的一段話：電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險。實現(xiàn)電氣隔離以后，兩個電路之間沒有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個電路之間是相互絕緣的。同時還要保證兩個電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系。電氣隔離的作用主要是減少兩個不同的電路之間的相互干擾，降低噪聲。
非隔離雙向DCDC，結(jié)構(gòu)比較簡單，每個部件都是直接相連，沒有額外的能量損失，工作效率比較髙。對升壓側(cè)的電容要求比較高。主要的非隔離DCDC電路結(jié)構(gòu)有雙向半橋boost-buck電路，雙向buck-boost電路，雙向buck電路，雙向Zate-Sepic電路，如下圖所示。

隔離型雙向DCDC，在非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上加上一個高頻變壓器就構(gòu)成了隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，高頻變壓器兩側(cè)的電路拓?fù)淇梢允侨珮蚴健霕蚴健⑼仆焓降鹊?。這幾種隔離型的雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，采用了更多的功率開關(guān)，電壓變比大，帶電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是這類DCDC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也相對較高，轉(zhuǎn)換器的損耗高，低頻時會導(dǎo)致隔離變壓器鐵芯飽和，損耗會進(jìn)一步增加。因此，非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器比隔離型在電動汽車上運(yùn)用更具有優(yōu)勢。

當(dāng)能量由高皮側(cè)流向低壓側(cè)時，雙向DCDC轉(zhuǎn)換器工作在BUCK模式；能量由低壓側(cè)流向高壓側(cè)時，雙向DCDC轉(zhuǎn)換器工作在BOOST工作模式。
1.2 DCDC系統(tǒng)三個組成分
主電路
又叫做功率模塊，是整個DCDC的主體。一個典型的全橋型 DCDC 變換器主電路拓?fù)淙缦聢D所示。

上圖中，Vin為輸入電壓，需要通過DCDC回路，在輸出端得到一個需要的輸出電壓。原邊開關(guān)電路，將輸入電流調(diào)制成矩形波，這個過程主要依靠控制器調(diào)制特定占空比的PWM波，用以驅(qū)動四個開關(guān)管按照既定的順序和時間開閉，從而實現(xiàn)電流逆變過程。原邊輸入電壓可以通過占空比調(diào)節(jié)，占空比增加輸出電壓也增加，占空比減小輸出電壓減小。頻率則可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率調(diào)節(jié)。T1位變壓器，變比你n。變壓器既可以實現(xiàn)電氣隔離，又可以起到電壓調(diào)節(jié)的作用。一個固定的原邊線圈匝數(shù)，副邊改變匝數(shù)，即可得到不同的電壓等級。變壓器的輸入，是經(jīng)過左側(cè)全橋電路逆變得到的脈沖矩形波，傳遞到變壓器的副邊，得到的是另一個電壓幅值的交流正弦波。經(jīng)過DR1和DR2整流以后，再經(jīng)由Cf和Rl濾波處理，得到直流電，提供給輸出端。
驅(qū)動模塊
對于控制芯片輸出的四路 PWM 驅(qū)動信號來說，并不能直接驅(qū)動四個功率開關(guān)管。所以，一般來說，開關(guān)電源是需要配套一個驅(qū)動電路來驅(qū)動功率開關(guān)管。驅(qū)動電路種類很多，主要由以下三種:
直接耦合型：控制芯片的每一路輸出 PWM 驅(qū)動信號經(jīng)過由兩個三極管組成的放大電路來驅(qū)動功率開關(guān)管。此種方法無法實現(xiàn)控制部分與主電路的隔離。
脈沖變壓器耦合型驅(qū)動電路：此電路是在直接耦合型的基礎(chǔ)上加上了一個脈沖變壓器，實現(xiàn)了控制電路與主電路的隔離。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，涉及到變壓器的設(shè)計、制作等方面，比較復(fù)雜。
驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路：為了更加方便地來驅(qū)動功率開關(guān)管，很多公司研制出驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片可以輸出較大的功率，驅(qū)動開關(guān)管，而且隨著芯片的小型化發(fā)展，現(xiàn)在的驅(qū)動芯片體積非常小，有各種封裝形式。利用驅(qū)動芯片對功率開關(guān)管驅(qū)動，這種方法比較簡單，但是控制電路與主電路仍然沒有實現(xiàn)隔離。
控制模塊
主電路的反饋主要有三種控制模式：電壓控制模式，峰值電流控制模式，平均電流控制模式。
電壓控制模式：屬于電壓反饋，利用輸出電壓進(jìn)行校正，是單環(huán)反饋模式，輸出電壓采樣與輸入基準(zhǔn)電壓比較，得到的輸出信號與一鋸齒波電壓比較，輸出 PWM波信號。電壓控制模式設(shè)計以和運(yùn)用都比較簡單，但是電壓控制模式?jīng)]有對輸出電流進(jìn)行控制，有一定的誤差存在，并且輸出電壓先經(jīng)過電感以及電容的濾波，使得動態(tài)響應(yīng)比較差。
峰值電流控制模式：峰值電流控制模式與電壓控制模式的區(qū)別在于，峰值電流控制模式中，把電壓控制模式的那一路鋸齒波形，轉(zhuǎn)換成了電感的瞬時電流與一個小鋸齒波的疊加。但是電感的瞬時電流并不能表示平均電流的情況。
平均電流控制模式：屬于雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)的輸出信號作為基準(zhǔn)電流與電感電流的反饋信號比較。設(shè)置誤差放大器，可以平均化輸入電流的一些高頻分量，輸出的經(jīng)過平均化處理的電流，再與芯片產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，輸出合適的 PWM 波形。
電感電流和電容電壓因此需要對兩個變量都要進(jìn)行PID整定，一個典型的控制流程如下圖所示?？刂颇K是由兩個PID控制器組成，分別是電壓控制控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)，在流程圖中給出一個參考電壓，設(shè)計合理的參數(shù)，就可以很快速的達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。
相比三種控制方式，平均電流的控制方式不限制占空比，對輸出電壓和電感電流均進(jìn)行反饋，有比較好的控制效果。采用平均電流控制方式進(jìn)行反饋電路的設(shè)計時，把電流環(huán)是看作電壓環(huán)的一部分。
1.3 軟開關(guān)和硬開關(guān)
DCDC中的硬開關(guān)與軟開關(guān)有何區(qū)別？
硬開關(guān)和軟開關(guān)是針對開關(guān)管來講的。
硬開關(guān)是不管開關(guān)管(DS極或CE極)上的電壓或電流，強(qiáng)行turn on或turn off開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管上(DS極或CE極)電壓及電流較大時開關(guān)管動作，由于開關(guān)管狀態(tài)間的切換(由開到關(guān)，或由關(guān)到開)需要一定的時間，這會造成在開關(guān)管狀態(tài)間切換的某一段時間內(nèi)電壓和電流會有一個交越區(qū)域，這個交越造成的開關(guān)管損耗稱為開關(guān)管的切換損耗。
軟開關(guān)是指通過檢測開關(guān)管電流或其他技術(shù)，做到當(dāng)開關(guān)管兩端電壓或流過開關(guān)管電流為零時才導(dǎo)通或關(guān)斷開關(guān)管，這樣開關(guān)管就不會存在切換損耗。
一般來說軟開關(guān)的效率較高(因為沒有切換損)；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以體積可以做的更小。但成本也相對較高，設(shè)計較復(fù)雜。
進(jìn)一步的，軟開關(guān)包括三種控制方式：雙極性控制，有限雙極性控制，移相全橋控制，得到的矩形波波形如
Q1 和 Q3 為超前橋臂上的開關(guān)管，屬于同一橋臂，而 Q1 和 Q4 為對角的開關(guān)管，分別屬于兩個橋臂。 種控制方式為硬開關(guān)，第二和第三種均可以實現(xiàn)軟開關(guān)，但是第三種的控制方式較靈活，比較容易實現(xiàn)。
由于對功率密度越來越高的要求，可以通過提高頻率來提高功率性能的軟開關(guān)類DCDC是當(dāng)前研究的主要方向。軟開關(guān)包括3種主要控制方式：ZVS 移相全橋變換， ZCS 移相全橋變換，ZVZCS移相全橋變換。
2 給車載用電器供電，怎樣估計DCDC功率
每一個用電設(shè)備都有自身工作的額定電壓和額定電流，如果電動汽車中的用電設(shè)備經(jīng)常處于非額定狀態(tài)下工作的話，會大大降低電能轉(zhuǎn)換效率，壽命受損甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備損壞。因此，DCDC的規(guī)格與所在系統(tǒng)的需求相匹配，才能更好的發(fā)揮功能。一般的選型思路不是直接將全部電氣功率加在一起，因為他們可能并不是全部同時工作的。
根據(jù)純電動汽車車載電子設(shè)備的不同屬性，能把用電設(shè)備分為長期用電、連續(xù)用電、短時間間歇用電和附加用電設(shè)備種類型，并賦于不同的權(quán)值。其中，長期用電設(shè)備包括組合儀表和蓄電池，權(quán)值取1；連續(xù)用電設(shè)備包括雨刮、電機(jī)、音響系統(tǒng)和儀表照明等設(shè)備，權(quán)值可取0.5；短時間間歇用電設(shè)備包括電喇機(jī)、各類信號燈、控制器等設(shè)備，權(quán)值可取0.1；附加用電設(shè)備電動真空泵、電動水泵和電動轉(zhuǎn)向，權(quán)值根據(jù)實際情況分別取0.1、1、0.3。各類設(shè)備所消耗功率分析
3 配合超級電容應(yīng)用的DCDC怎樣確定電氣參數(shù)？
在復(fù)合電源系統(tǒng)中，超級電容一般都被定義成應(yīng)對大功率的部分，放電過程，針對工況峰值，提供均值以上的部分；制動能量回收過程，承擔(dān)全部或者絕大部分回收電流的吸納。面對沖擊功率，DCDC在兩個方面的要求比較高。一個是反應(yīng)速度，電池與超級電容并聯(lián)的電源回路中，制動能量從電機(jī)產(chǎn)生，通過母線向電源傳遞。如果DCDC的反應(yīng)不夠靈敏，接通時間較長，則涌來的能量被DCDC隔離在超級電容以外，得不到吸納，只能由電池吸納，過大的功率會給電池帶來 性的損傷。DCDC的另一個要求就是能夠承受瞬時大功率的沖擊，串聯(lián)在電容回路的DCDC，需要經(jīng)常面對沖擊功率的工作狀態(tài)。因此，選擇與超級電容串聯(lián)在統(tǒng)一支路的DCDC， 重要的參數(shù)就是功率范圍，工作電壓和動作時間。