恒流模式DC/DC變換器在電動汽車中的應用

陳 東

（上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心，上海 200438）

在傳統燃油車中，當車輛發動運行之后，整車用電設備的電是由發電機提供的，通過發電機的匹配達到整車的電量平衡；在電動汽車中，則是由高壓轉低壓DC/DC變換器提供整車低壓用電，通過DC/DC變換器匹配達到整車的電量平衡。DC/DC變換器是一種將高壓直流轉換為低壓直流的裝置。

1 DC/DC變換器工作模式

DC/DC變換器按輸出模式上可以分為恒壓工作模式和恒流工作模式。

1）DC/DC變換器恒壓工作模式 DC/DC變換器恒壓工作模式輸出電壓恒定，當整車負載電流小于DC/DC變換器的輸出能力時，電壓很穩定。當整車負載電流超過DC/DC變換器輸出能力的1.2倍時，DC/DC將觸發過流保護，DC/DC關閉輸出。采用恒壓模式的工作方式是受國標GB/T 24347的影響，國標要求“5.11峰值輸出功率及持續時間 DC/DC變換器過載輸出功率不小于額定功率的1.2倍。按照6-11所述的方法測量測出的峰值持續運行時間不低于6min”［1］。因此在DC/DC變換器應用中，經常應用恒壓模式，通過預留1.2倍的余量來覆蓋整車的最大負載。工作模式的優點是電壓穩定，缺點是選型需要覆蓋整車運行中出現的最大負載，選型功率需要很大，成本高。

2）DC/DC變換器恒流工作模式 DC/DC變換器的恒流工作模式輸出電流根據整車負載大小進行調節，當整車負載電流小于DC/DC變換器的額定負載時，DC/DC變換器按整車需求負載輸出，電壓恒定；當整車負載大于DC/DC變換器時，DC/DC恒定額定電流恒流輸出，DC/DC降低輸出電壓，此時由蓄電池補充整車需求的額外電流。采用恒流模式的優點是DC/DC不會斷電，可以持續輸出，選型可以只需覆蓋平均用電需求即可，功率選型小，成本低，缺點是控制復雜，考慮輸出紋波的影響。

2 DC/DC變換器兩種工作模式應用對比

筆者將結合上汽大通V80純電動汽車的DC/DC變換器開發經驗，對恒壓模式和恒流模式DC/DC變換器在整車中的應用進行對比介紹，對比兩種工作模式在整車上的應用情況，以及基于兩種模式選型結果進行了對比分析。

1）恒壓模式DC/DC變換器應用 上汽大通V80純電動汽車在項目初期采用的是恒壓模式的DC/DC變換器，但是在路試過程中經常出現整車突然斷電停駛的情況。經查看報文數據，發現DC/DC關閉輸出，整車消耗蓄電池電，造成行車過程中蓄電池虧電。在蓄電池虧電的情況下，當整車出現比較大的負載時，例如EHPS，拉低蓄電池的電壓至9 V以下，當整車系統電壓下降到9 V以下，高壓器件控制器不工作，導致整車無動力輸出，車輛停駛。經過數據采集分析，發現整車負載電流大于DC/DC變換器輸出能力時，DC/DC變換器關閉輸出，見圖1。

2）恒流模式DC/DC變換器應用 為解決整車斷電停駛的問題，參考了發電機控制模式，發電機的輸出模式是當整車負載大于發電機輸出能力時，發電機將降低電壓，將輸出電流恒定在額定輸出。通過調整控制方式，將DC/DC變換器改為恒流工作模式，讓DC/DC按恒流模式輸出。DC/DC改為恒流模式之后，在正常情況下DC/DC變換器未發生斷電情況，保證了整車路試的正常進行。DC/DC變換器恒流輸出情況見圖2。

圖1 DC/DC關閉輸出

圖2 DC/DC變換器恒流輸出

3）恒壓模式和恒流模式DC/DC變換器對比 不管是電動汽車還是燃油汽車，整車運行的工況和需求是一樣的。在電動汽車中，參考燃油汽車的電平衡，按城市廣場工況負載進行電量平衡匹配和評估，通過采集整車的城市工況數據來評估整車的電量平衡。城市廣場工況轉彎地方比較多，EHPS的工作峰值電流大，城市廣場負載曲線見圖3。通過城市數據的采集，發現如果要采用恒壓模式的輸出，DC/DC變換器需要覆蓋整車出現的最大峰值電流，需要將DC/DC變換器功率提升至3.4 kW，才能覆蓋整車最大的負載。但是采用恒流模式，只需要考慮平均負載消耗，出現峰值電流時，蓄電池提供放電，在其它情況下，DC/DC給蓄電池充電，來保證整車的電量平衡，采用此種方式，只需要2.5 kW功率即可滿足。目前市面DC/DC變換器價格按1元/W估算，針對于V80純電動汽車的這款車型，選擇了恒流模式的DC/DC變換器，單車成本可以降低900元。

圖3 整車城市廣場工況負載

3 恒流模式DC/DC變換器實現的方式

1）恒流模式DC/DC變換器的控制方法 恒流模式DC/DC變換器工作簡易原理框圖見圖4。整車高壓直流電輸入給DC/DC變換器，DC/DC變換器內的濾波電路對高壓輸入直流電進行濾波，再進入一級升壓電路，將電壓升壓到一個穩定的高壓，然后通過全橋電路將直流電變為交流電，通過變壓器將高壓交流電變為低壓交流電，再通過同步整流器將低壓交流電整流為低壓直流電，再經輸出濾波電路后低壓輸出，主控制器通過轉換控制器控制全橋電路的通斷。其特征是：在低壓輸出端前裝有電流采樣電路，通過輸出電流采樣信號將輸出電流值輸入主控制器，主控制器通過比較輸出電流與額定電流，當輸出電流高于額定電流時，主控制器通過轉換控制器控制全橋電路的開閉，進行調整轉換電流，進入恒流模式，DC/DC變換器按照恒定的額定電流輸出；當輸出電流小于額定電流時，DC/DC變換器按輸出電流進行輸出。

圖4 恒流DC/DC變換器工作原理框圖

2）DC/DC過電流誤觸發保護 DC/DC變換器在設計上因為需考慮到元器件的承受能力，需要進行保護措施，以防偶發性的超負載導致元器件的失效，從而導致DC/DC變換器的損壞，DC/DC變換器在設計上會有過電流保護。過流保護和恒定電流控制方法都是通過采樣輸出端的電流進行反饋控制。在過流保護和恒流模式的時序上需要格外注意。在V80純電動汽車的開發中，就遇到了過電流保護誤觸發，見圖5。在某些特定的工況下，例如低速或者停車急打轉向時，整車會出現一個比較大的負載，在V80純電動汽車上就采集到了250 A峰值電流，當整車在短時間的情況下突然出現遠超出DC/DC變換器的輸出負載情況下，DC/DC優先進入了過流保護，DC/DC變換器還未進入恒流，導致DC/DC變換器因過流保護關閉了輸出。

針對于誤觸發的情況，提高采樣頻率縮短恒流切換時間并延長過電流保護進入時間。當出現峰值電流過大的情況，DC/DC變換器在1ms進入恒流模式，降低輸出電壓，限制電流輸出，此時因輸出電壓降低，蓄電池參與放電，保證DC/DC變換器電流可以持續降低至額定電流，并且將過電流保護觸發的時間延長至20 ms。當20 ms后，DC/DC變換器的電流已降低至額定電流，小于過流保護觸發值，因此不會再出現過流保護。修正之后的DC/DC變換器輸出見圖6。修正測量之后，DC/DC產品在V80純電動汽車上再未出現低壓斷電的情況。上汽大通V80純電動汽車目前試驗已完成，并且已順利上市。

圖5 過電流保護誤觸發

4 結論

圖6 過流保護修正

本文給出了恒流模式和恒壓模式DC/DC變換器的應用對比情況，并且給出恒流模式在電動汽車中的應用情況，闡述了恒流模式DC/DC變換器和恒壓模式DC/DC變換器在應用中的優缺點。筆者推薦采用恒流模式DC/DC變換器，可以大大降低DC/DC變換器的選型功率，特別對于整車負載較大的車型，選型功率降低特別明顯，成本上的降本也比較明顯。本文也簡單闡述了恒流DC/DC變換器的控制方法，介紹了在應用中容易出現的過電流誤觸發，針對此問題提供了相應的解決思路。本文中的恒流DC/DC變換器的控制方法筆者已作為第一發明人申請了發明專利，專利申請號：201610918726.2。