專利名稱：純電動汽車用直流變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于純電動汽車直流變換的裝置，利用本裝置對純電動汽車的電池輸出電壓進(jìn)行變換，為后級用電設(shè)備供電。
背景技術(shù)：
隨著我國經(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。有專家指出，按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，我國的燃油生產(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。我國汽車產(chǎn)業(yè)的未來，必然要走發(fā)展更清潔更節(jié)能之路。電動汽車以清潔的、可再生的能源為動力，必將成為汽車大家庭中的重要成員。電動汽車的電源多為電池，因電池組的輸出電壓波動范圍大，且供電單元的電池數(shù)量不一樣，電壓波動范圍是不一樣的，而后級電壓一般都要求穩(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時，輸出電壓的波動范圍在0. 2V以內(nèi)。鑒于車載特殊的使用場合，要求該變換器必須具備應(yīng)有的設(shè)計功能和性能，而且也要滿足對體積、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。隨著電動汽車載重量以及運(yùn)行速度的提高，對車載電源功率以及車載電源的要求越來越高。結(jié)合現(xiàn)代純電動汽車對車載裝置的特殊要求，吸收傳統(tǒng)的純電動汽車用DC-DC變換器的優(yōu)勢，采用功率單元并聯(lián)的形式實現(xiàn)功率大、體積小的DC轉(zhuǎn)換器，可以極大的提高系統(tǒng)的可靠性和性價比。研究在車載動力電源供電下，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)功能的純電動車用DC-DC變換器，對提高電動汽車的運(yùn)行效率有明顯重要的意義。鑒于此，本申請人申請了實用新型專利“純電動汽車直流變換器”(專利號201120157092. 6)，是寬輸入的基于功率單元并聯(lián)的純電動車用直流變換器，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情況以及負(fù)載的變化特征，自動實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓和環(huán)流抑制；出現(xiàn)短路故障時系統(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、由于電動汽車用直流變換器的輸入電源為電池，同時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，在啟動瞬間，直流變換器會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，這時直流變換器就會通過控制和保護(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，這樣就會造成直流變換器頻繁的啟動、關(guān)閉，極大的降低了直流變換器的可靠性。二、在運(yùn)行過程中檢測到有異常信號時，僅僅切斷電源，等待故障排除后重新啟動，這樣就失去了軟啟動功能，同時在輸出電池欠壓時易造成頻繁啟動與停止，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，可靠性和實用性還需提聞。
發(fā)明內(nèi)容本實用新 型為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種針對純電動汽車而設(shè)計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、不同功率的純電動汽車，并確保輸出電壓精度和效率。本實用新型是通過以下方案實現(xiàn)的上述純電動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采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動模塊。所述的純電動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、全波變換模塊和無源濾波模塊串聯(lián)構(gòu)成。所述高頻逆變模塊實現(xiàn)恒定直流電壓經(jīng)過電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。所述無源濾波模塊采用無源濾波電路實現(xiàn)脈動直流電變換成恒定的直流電。所述的純電動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。所述的純電動汽車用直流變換裝置，其中所述信號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)所述信號采集模塊輸出的信號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)檢測以及自診斷、為所述驅(qū)動模塊提供四路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、過流保護(hù)、過熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)功能。所述的純電動汽車用直流變換裝置，其中所述驅(qū)動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，同時提供相互獨立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號。所述驅(qū)動模塊還有檢測IGBT短路故障的功能。有益效果用于純電動汽車直流變換的裝置，對純電動汽車的電池輸出電壓進(jìn)行變換，為后級用電設(shè)備供電。該改進(jìn)型純電動汽車用直流變換裝置對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汽車的直流變換，能適用于各種用于不同型號、不同功率的純電動汽車，通過更換部分零件和設(shè)定部分參數(shù)可以滿足各種電動汽車的對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用性大大提高。
圖I是本實用新型電動汽車用直流變換裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型電動汽車用直流變換裝置的功率單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
如圖I、圖2所示，本實用新型的電動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)動模塊7組成。輸入開關(guān)控制模塊I用于狀態(tài)檢測正常后開關(guān)閉合，故障時斷開開關(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和無源濾波模塊24。高頻逆變模塊21實現(xiàn)將恒定直流電壓經(jīng)過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)有兩個相互獨立的繞組，其中變壓器一次側(cè)兩個相互獨立的繞組并聯(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)動電路需要隔離的缺點，新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主電路結(jié)構(gòu)簡單，控制驅(qū)動簡化的優(yōu)點，大大降低了整個變換器的成本，同時提高了系統(tǒng)的可靠性；高頻隔離模塊22主要通過高頻變壓器，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)計變壓器的參數(shù)，實現(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現(xiàn)將高頻交流電變換成脈動直流電。無源濾波模塊24采用無源濾波電路，實現(xiàn)將脈動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，輸出是否過壓、過流，輸出是否短路。模式轉(zhuǎn)換模塊5根據(jù)信號采集模塊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)檢測有故障則進(jìn)入保護(hù)工作模式?？刂坪捅Ｗo(hù)模塊6主要實現(xiàn)以下功能系統(tǒng)開機(jī)前的狀態(tài)檢測以及自診斷、為驅(qū)動模塊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、過流保護(hù)、過熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)。驅(qū)動模塊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，同時提供相互獨立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號，驅(qū)動模塊7同時還有檢測IGBT短路故障的功能。工作過程電動汽車電源主開關(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，通過硬件電路實現(xiàn)系統(tǒng)初始狀態(tài)的自診斷，檢測輸出端電池是否接上，輸出電池是否反接，輸出是否短路，檢測輸入電壓是否反接，檢測輸入電壓是否欠壓，如果有一個出現(xiàn)故障則系統(tǒng)不啟動。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，直流變換裝置進(jìn)入啟動模式，驅(qū)動模塊7工作，控制和保護(hù)模塊6通過分析信號采集模塊4提供的電池電壓和試充電電流，通過模式轉(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。在工作過程中，控制和保護(hù)模塊6檢測是否有出現(xiàn)輸出過壓、輸出過流、開關(guān)管過熱、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，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)過一定時間的延時后，如果故障排除，系統(tǒng)自動恢復(fù)進(jìn)入正常工作模式。本實用新型的電動汽車用直流變換裝置具有以下特點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情況以及負(fù)載的變化特征，自動實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓和環(huán)流抑制，同時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)實際測試在滿載(14. 2V/600W)時效率可達(dá)到90. 5%。3.保護(hù)功能邏輯優(yōu)化對保護(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，同時檢測負(fù)載狀態(tài)和輸入電池狀態(tài)，出現(xiàn)故障時，立即關(guān)閉脈沖同時斷開主回路供電，等待2S后若故障排除則重新啟動，此時進(jìn)入啟動模式，啟動模式結(jié)束后進(jìn)入正常工作模式。本實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采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的純電動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所述的純電動汽車用直流變換裝置，其特征在于所述高頻逆變模塊實現(xiàn)恒定直流電壓經(jīng)過電壓型逆變器變換成高頻方波電壓。
4.如權(quán)利要求2所述的純電動汽車用直流變換裝置，其特征在于所述無源濾波模塊采用無源濾波電路實現(xiàn)脈動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所述的純電動汽車用直流變換裝置，其特征在于所述信號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)所述信號采集模塊輸出的信號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)檢測以及自診斷、為所述驅(qū)動模塊提供四路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、過流保護(hù)、過熱保護(hù)以及短路硬件保護(hù)功能。
9.如權(quán)利要求8所述的純電動汽車用直流變換裝置，其特征在于所述驅(qū)動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，同時提供相互獨立抗干擾性強(qiáng)的脈沖作為IGBT的開通和關(guān)斷信號。
10.如權(quán)利要求9所述的純電動汽車用直流變換裝置，其特征在于所述驅(qū)動模塊還有檢測IGBT短路故障的功能。
專利摘要本實用新型涉及純電動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采集模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動模塊。該裝置對純電動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，可靠性和實用性大大提高，適用于各種不同功率的電動汽車的直流變換，適應(yīng)好，效率高。
文檔編號H02M3/00GK202616993SQ20122015312
公開日2012年12月19日 申請日期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 申請人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院