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

        2020-06-29 06:07:44竇明佳
        汽車(chē)電器 2020年6期
        關(guān)鍵詞:故障策略檢測(cè)

        肖 聰,汪 斌,竇明佳

        (東風(fēng)汽車(chē)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(chē)的普及,尤其是純電動(dòng)車(chē)的推廣,整車(chē)電器的供電方式發(fā)生了變化。不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)發(fā)電機(jī)的供電方式,純電動(dòng)車(chē)采用的是通過(guò)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(chē)低壓用電器供電。根據(jù)國(guó)家能源政策的調(diào)整,市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)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(chē)設(shè)計(jì)工作的關(guān)注重點(diǎn)。

        本文通過(guò)對(duì)某款純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)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(chē)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(shuō)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(guò)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(chē)控制器)通過(guò)CAN線(xiàn)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(méi)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(chē)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(jiàn)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(lèi)

        選型合適的DC/DC變換器就是討論電動(dòng)汽車(chē)低壓電器用電量平衡的問(wèn)題,研究電動(dòng)車(chē)在各種工作狀態(tài)下,DC/DC變換器在整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的蓄電池一直是在充電中的。

        純電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)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(chē)隨著工況不同,各種低壓電器的使用頻率也不一樣。整車(chē)低壓用電器根據(jù)使用范圍可分為3類(lèi):第1類(lèi)是必須無(wú)條件連續(xù)使用的低壓用電器,如VCU;第2類(lèi)為長(zhǎng)時(shí)間使用的低壓用電器,如水泵;第3類(lèi)為短時(shí)間使用的低壓用電器,如踏步燈。通過(guò)某款電動(dòng)車(chē)低壓用電器分類(lèi)實(shí)例,如表1所示,進(jìn)一步了解低壓電器件的分類(lèi)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(chē)所有正在使用的低壓用電器電流Ij之和。采用電動(dòng)汽車(chē)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(guò)某款電動(dòng)車(chē)實(shí)例分析,Ik=156.86A,因此Pk=Ik×U=2196.04W。

        為了確保整車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò),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(guò)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(guò)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(lèi):一類(lèi)是可恢復(fù)故障,另一類(lèi)是不可恢復(fù)故障??苫謴?fù)故障是指故障級(jí)別低,DC/DC變換器允許該類(lèi)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(méi)有自動(dòng)恢復(fù),或者可恢復(fù)故障發(fā)生次數(shù)超過(guò)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(méi)有,DC/DC變換器通過(guò)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(chē)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(shuō)明。然后通過(guò)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(shuō)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(guò)實(shí)車(chē)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

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