一種純電動(dòng)汽車DC/DC變換器選型設(shè)計(jì)與控制策略研究

肖 聰，汪 斌，竇明佳

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

1 引言

隨著新能源汽車的普及，尤其是純電動(dòng)車的推廣，整車電器的供電方式發(fā)生了變化。不同于傳統(tǒng)燃油車發(fā)電機(jī)的供電方式，純電動(dòng)車采用的是通過直流轉(zhuǎn)換直流變換器 （DC／DC變換器）把動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，最終給整車低壓用電器供電。根據(jù)國家能源政策的調(diào)整，市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車越來越多，因此DC／DC變換器也得到了普遍應(yīng)用，DC／DC變換器選型匹配、工作策略成為新能源汽車設(shè)計(jì)工作的關(guān)注重點(diǎn)。

本文通過對(duì)某款純電動(dòng)汽車整車低壓用電器進(jìn)行實(shí)例數(shù)據(jù)分析，列出在不同使用頻率下，各用電器的使用狀態(tài)情況，根據(jù)對(duì)應(yīng)加權(quán)系數(shù)，最終計(jì)算出整車低壓用電實(shí)際的需求量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DC／DC變換器選型匹配。本文詳細(xì)說明了DC／DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)，采用流程圖的方式，重點(diǎn)講述了DC／DC變換器在上電模式、下電模式、故障處理模式的工作策略。

2 DC／DC變換器結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

DC／DC變換器經(jīng)過不斷的改進(jìn)，主流的配置［1］主要由預(yù)充電路、濾波器、逆變電路、變壓器、整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、CAN通信電路以及CPU控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中輸入濾波器有效地抑制了傳導(dǎo)干擾，整流濾波電路降低了電源輸出紋波噪聲。驅(qū)動(dòng)電路為CPU供電，檢測(cè)電路檢測(cè)DC／DC變換器內(nèi)部各種信息轉(zhuǎn)給CPU，CAN通信電路使CPU與外部設(shè)備通信，CPU控制系統(tǒng)就根據(jù)指令和內(nèi)部狀態(tài)信息控制各個(gè)電路，使DC／DC變換器穩(wěn)定輸出電流［2］。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 DC／DC變換器結(jié)構(gòu)內(nèi)部圖

2.2 控制原理

動(dòng)力電池高壓輸出端與DC／DC變換器輸入端相連，蓄電池與低壓用電器并聯(lián)后與DC／DC變換器輸出端相接，VCU（整車控制器）通過CAN線與DC／DC變換器想通。低壓用電器包括VCU和其他低壓負(fù)載，當(dāng)沒上高壓時(shí)，低壓用電器由蓄電池供電。當(dāng)VCU收到上高壓指令后，控制接觸器并使能DC／DC變換器，使DC／DC變換器工作。DC／DC變換器啟動(dòng)后，動(dòng)力電池高壓電傳送至DC／DC變換器，經(jīng)DC／DC變換器轉(zhuǎn)換后輸出穩(wěn)定可靠的低壓電。DC／DC變換器需要達(dá)到整車低壓用電器實(shí)際用電情況和蓄電池的充放電平衡，既要給低壓用電器供電，也要不斷給蓄電池充電，具體DC／DC變換器工作策略詳見第4節(jié)內(nèi)容。DC／DC變換器控制原理如圖2所示。

圖2 DC／DC變換器控制原理圖

3 DC／DC變換器的計(jì)算與選擇

3.1 用電器分類

選型合適的DC／DC變換器就是討論電動(dòng)汽車低壓電器用電量平衡的問題，研究電動(dòng)車在各種工作狀態(tài)下，DC／DC變換器在整個(gè)電動(dòng)汽車低壓電器系統(tǒng)中的匹配情況，需要確保在各種運(yùn)行條件下，電動(dòng)汽車的蓄電池一直是在充電中的。

純電動(dòng)汽車常用蓄電池是12V，因此全文以DC／DC變換器以額定輸出電壓14V為例進(jìn)行講解，其他型號(hào)類同。根據(jù)GB／T 24347-2009［3］中5.16.2提到：對(duì)于恒壓輸出特性的DC／DC變換器在額定輸出電壓下的相對(duì)誤差不大于1%，因此DC／DC變換器額定輸出電壓范圍為13.86～14.14V。

電動(dòng)汽車隨著工況不同，各種低壓電器的使用頻率也不一樣。整車低壓用電器根據(jù)使用范圍可分為3類：第1類是必須無條件連續(xù)使用的低壓用電器，如VCU；第2類為長時(shí)間使用的低壓用電器，如水泵；第3類為短時(shí)間使用的低壓用電器，如踏步燈。通過某款電動(dòng)車低壓用電器分類實(shí)例，如表1所示，進(jìn)一步了解低壓電器件的分類情況。

3.2 用電量計(jì)算

根據(jù)電平衡原則［4］，DC／DC的輸出額定電流Ik=電動(dòng)汽車所有正在使用的低壓用電器電流Ij之和。采用電動(dòng)汽車低壓用電器計(jì)算公式：Ik=∑Ij×ηj（其中Ij為第j個(gè)用低壓電器工作電流，ηj為第j個(gè)用電器所對(duì)應(yīng)的使用頻率系數(shù)），可以算出DC／DC變換器的輸出電流。結(jié)合表1，通過某款電動(dòng)車實(shí)例分析，Ik=156.86A，因此Pk=Ik×U=2196.04W。

為了確保整車低壓用電器實(shí)際用電情況和蓄電池的充放電平衡，DC／DC變換器功率需要大于整車低壓電器的計(jì)算用電量，通常以1.2倍進(jìn)行選型。同時(shí)考慮成本，初步選定某款純電動(dòng)車車用DC／DC變換器功率規(guī)格為2600W。根據(jù)GB／T 24347-2009中5.11及6.11中提到：DC／DC變換器的過載輸出功率不小于其額定功率的1.2倍，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)不小于6min。因此DC／DC峰值功率要求3200kW，持續(xù)時(shí)間至少為6min。

表1 低壓電器加權(quán)表

4 DC／DC變換器工作策略

通過第2節(jié)和第3節(jié)內(nèi)容已經(jīng)了解DC／DC變換器的工作原理與選型方法，本節(jié)重點(diǎn)講解DC／DC變換器工作策略。

4.1 DC／DC變換器的低壓上電策略

DC／DC變換器處于休眠狀態(tài)時(shí)，要是檢測(cè)VCU通過CAN信號(hào)發(fā)送喚醒信號(hào)，就被激活。DC／DC變換器被喚醒后，進(jìn)入上電自檢。如果自檢失敗，DC／DC變換器將匯報(bào)error狀態(tài)，進(jìn)入不可恢復(fù)故障機(jī)制 （參考不可恢復(fù)處理策略）。如果自檢通過，DC／DC變換器將匯報(bào)Not working狀態(tài)。DC／DC變換器檢測(cè)DC／DC變換器使能信號(hào)及自檢成功，則匯報(bào)working狀態(tài)。DC／DC變換器處于working狀態(tài)時(shí)，將根據(jù)VCU的充電指令和自身的狀態(tài)調(diào)整輸出。DC／DC變換器在Not working狀態(tài)，如檢測(cè)到故障，將進(jìn)入故障處理 （請(qǐng)參考故障處理策略）。DC／DC變換器低壓上電策略如圖3所示。

4.2 DC／DC變換器的正常下電策略

DC／DC變換器在充電過程中，DC／DC變換器檢測(cè)VCU發(fā)送DC／DC變換器停止充電請(qǐng)求，將停止充電。DC／DC變換器停止充電后，匯報(bào)Not working狀態(tài)；并返回Not working，然后向VCU發(fā)送休眠請(qǐng)求，如果同意，DC／DC變換器就休眠。DC／DC變換器的正常下電策略如圖4所示。

4.3 DC／DC變換器的異常下電策略

DC／DC變換器在充電過程中，DC／DC變換器檢測(cè)到自身故障時(shí)，將停止充電。DC／DC變換器停止充電后，匯報(bào)error狀態(tài)，進(jìn)入故障處理 （請(qǐng)參考故障處理策略）。DC／DC變換器的異常下電策略如圖5所示。

4.4 DC／DC變換器故障處理策略

圖3 DC／DC變換器低壓上電策略

圖4 DC／DC變換器的正常下電策略

圖5 DC／DC變換器的異常下電策略

DC／DC變換器的故障分為兩類：一類是可恢復(fù)故障，另一類是不可恢復(fù)故障。可恢復(fù)故障是指故障級(jí)別低，DC／DC變換器允許該類故障消除后重新啟動(dòng)。不可恢復(fù)故障是指故障嚴(yán)重，DC／DC變換器必須進(jìn)入休眠。只有DC／DC變換器再次從休眠被喚醒之后才能重新執(zhí)行輸出請(qǐng)求。

4.4.1 可恢復(fù)故障處理策略

DC／DC變換器檢測(cè)到可恢復(fù)故障后，關(guān)閉低壓輸出，啟動(dòng)故障恢復(fù)超時(shí)計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)同一可恢復(fù)故障的發(fā)生次數(shù)。如果DC／DC變換器檢測(cè)到可恢復(fù)故障在30s內(nèi)沒有自動(dòng)恢復(fù)，或者可恢復(fù)故障發(fā)生次數(shù)超過20次，將進(jìn)入不可恢復(fù)故障處理 （參考不可恢復(fù)處理策略）。若沒有，DC／DC變換器通過DC／DC變換器_Status報(bào)文匯報(bào)Not working狀態(tài)，進(jìn)入正常充電流程?？苫謴?fù)故障處理的策略圖6所示。

圖6 可恢復(fù)故障處理的策略

4.4.2 不可恢復(fù)故障處理策略

DC／DC變換器檢測(cè)到不可恢復(fù)故障后，關(guān)閉低壓輸出，匯報(bào)STOP狀態(tài)。然后向VCU發(fā)送休眠請(qǐng)求，如果同意，DC／DC變換器就休眠。不可恢復(fù)故障處理的策略如圖7所示。

5 結(jié)論

本文提出了一種純電動(dòng)汽車DC／DC變換器選型設(shè)計(jì)與控制策略研究方法。文章首先介紹了DC／DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)DC／DC變換器較系統(tǒng)地說明。然后通過實(shí)例分析，提出一種電量平衡計(jì)算方法，匹配合適的DC／DC變換器型號(hào)。最后再對(duì)DC／DC變換器的控制策略進(jìn)行詳細(xì)的說明，分別介紹上電、下電、故障處理的策略方法。全文方法經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，具有一定的參考作用。

圖7 不可恢復(fù)故障處理的策略