陳 東
(上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心,上海 200438)
在傳統(tǒng)燃油車中,當(dāng)車輛發(fā)動運行之后,整車用電設(shè)備的電是由發(fā)電機提供的,通過發(fā)電機的匹配達(dá)到整車的電量平衡;在電動汽車中,則是由高壓轉(zhuǎn)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(dá)到整車的電量平衡。DC/DC變換器是一種將高壓直流轉(zhuǎn)換為低壓直流的裝置。
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(dāng)整車負(fù)載電流小于DC/DC變換器的輸出能力時,電壓很穩(wěn)定。當(dāng)整車負(fù)載電流超過DC/DC變換器輸出能力的1.2倍時,DC/DC將觸發(fā)過流保護(hù),DC/DC關(guān)閉輸出。采用恒壓模式的工作方式是受國標(biāo)GB/T 24347的影響,國標(biāo)要求“5.11峰值輸出功率及持續(xù)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(xù)運行時間不低于6min”[1]。因此在DC/DC變換器應(yīng)用中,經(jīng)常應(yīng)用恒壓模式,通過預(yù)留1.2倍的余量來覆蓋整車的最大負(fù)載。工作模式的優(yōu)點是電壓穩(wěn)定,缺點是選型需要覆蓋整車運行中出現(xiàn)的最大負(fù)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(jù)整車負(fù)載大小進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)整車負(fù)載電流小于DC/DC變換器的額定負(fù)載時,DC/DC變換器按整車需求負(fù)載輸出,電壓恒定;當(dāng)整車負(fù)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(yōu)點是DC/DC不會斷電,可以持續(xù)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(fù)雜,考慮輸出紋波的影響。
筆者將結(jié)合上汽大通V80純電動汽車的DC/DC變換器開發(fā)經(jīng)驗,對恒壓模式和恒流模式DC/DC變換器在整車中的應(yīng)用進(jìn)行對比介紹,對比兩種工作模式在整車上的應(yīng)用情況,以及基于兩種模式選型結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
1)恒壓模式DC/DC變換器應(yīng)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(jīng)常出現(xiàn)整車突然斷電停駛的情況。經(jīng)查看報文數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)DC/DC關(guān)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(dāng)整車出現(xiàn)比較大的負(fù)載時,例如EHPS,拉低蓄電池的電壓至9 V以下,當(dāng)整車系統(tǒng)電壓下降到9 V以下,高壓器件控制器不工作,導(dǎo)致整車無動力輸出,車輛停駛。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集分析,發(fā)現(xiàn)整車負(fù)載電流大于DC/DC變換器輸出能力時,DC/DC變換器關(guān)閉輸出,見圖1。
2)恒流模式DC/DC變換器應(yīng)用 為解決整車斷電停駛的問題,參考了發(fā)電機控制模式,發(fā)電機的輸出模式是當(dāng)整車負(fù)載大于發(fā)電機輸出能力時,發(fā)電機將降低電壓,將輸出電流恒定在額定輸出。通過調(diào)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(fā)生斷電情況,保證了整車路試的正常進(jìn)行。DC/DC變換器恒流輸出情況見圖2。
圖1 DC/DC關(guān)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(fù)載進(jìn)行電量平衡匹配和評估,通過采集整車的城市工況數(shù)據(jù)來評估整車的電量平衡。城市廣場工況轉(zhuǎn)彎地方比較多,EHPS的工作峰值電流大,城市廣場負(fù)載曲線見圖3。通過城市數(shù)據(jù)的采集,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fù)載。但是采用恒流模式,只需要考慮平均負(fù)載消耗,出現(xiàn)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(fù)載
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(nèi)的濾波電路對高壓輸入直流電進(jìn)行濾波,再進(jìn)入一級升壓電路,將電壓升壓到一個穩(wěn)定的高壓,然后通過全橋電路將直流電變?yōu)榻涣麟?,通過變壓器將高壓交流電變?yōu)榈蛪航涣麟?,再通過同步整流器將低壓交流電整流為低壓直流電,再經(jīng)輸出濾波電路后低壓輸出,主控制器通過轉(zhuǎn)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(dāng)輸出電流高于額定電流時,主控制器通過轉(zhuǎn)換控制器控制全橋電路的開閉,進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)換電流,進(jìn)入恒流模式,DC/DC變換器按照恒定的額定電流輸出;當(dāng)輸出電流小于額定電流時,DC/DC變換器按輸出電流進(jìn)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(fā)保護(hù) DC/DC變換器在設(shè)計上因為需考慮到元器件的承受能力,需要進(jìn)行保護(hù)措施,以防偶發(fā)性的超負(fù)載導(dǎo)致元器件的失效,從而導(dǎo)致DC/DC變換器的損壞,DC/DC變換器在設(shè)計上會有過電流保護(hù)。過流保護(hù)和恒定電流控制方法都是通過采樣輸出端的電流進(jìn)行反饋控制。在過流保護(hù)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(fā)中,就遇到了過電流保護(hù)誤觸發(fā),見圖5。在某些特定的工況下,例如低速或者停車急打轉(zhuǎn)向時,整車會出現(xiàn)一個比較大的負(fù)載,在V80純電動汽車上就采集到了250 A峰值電流,當(dāng)整車在短時間的情況下突然出現(xiàn)遠(yuǎn)超出DC/DC變換器的輸出負(fù)載情況下,DC/DC優(yōu)先進(jìn)入了過流保護(hù),DC/DC變換器還未進(jìn)入恒流,導(dǎo)致DC/DC變換器因過流保護(hù)關(guān)閉了輸出。
針對于誤觸發(fā)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(hù)進(jìn)入時間。當(dāng)出現(xiàn)峰值電流過大的情況,DC/DC變換器在1ms進(jìn)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(xù)降低至額定電流,并且將過電流保護(hù)觸發(fā)的時間延長至20 ms。當(dāng)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(hù)觸發(fā)值,因此不會再出現(xiàn)過流保護(hù)。修正之后的DC/DC變換器輸出見圖6。修正測量之后,DC/DC產(chǎn)品在V80純電動汽車上再未出現(xiàn)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(hù)誤觸發(fā)
圖6 過流保護(hù)修正
本文給出了恒流模式和恒壓模式DC/DC變換器的應(yīng)用對比情況,并且給出恒流模式在電動汽車中的應(yīng)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(yīng)用中的優(yōu)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(fù)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(yīng)用中容易出現(xiàn)的過電流誤觸發(fā),針對此問題提供了相應(yīng)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(fā)明人申請了發(fā)明專利,專利申請?zhí)枺?01610918726.2。