一種純電動汽車DC/DC變換器選型設計與控制策略研究

肖 聰，汪 斌，竇明佳

（東風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)電機的供電方式，純電動車采用的是通過直流轉換直流變換器 （DC／DC變換器）把動力電池的高壓電轉換成低壓電，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，市場上的純電動汽車越來越多，因此DC／DC變換器也得到了普遍應用，DC／DC變換器選型匹配、工作策略成為新能源汽車設計工作的關注重點。

本文通過對某款純電動汽車整車低壓用電器進行實例數(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)對應加權系數(shù)，最終計算出整車低壓用電實際的需求量，進而實現(xiàn)DC／DC變換器選型匹配。本文詳細說明了DC／DC變換器的內(nèi)部結構和工作原理，同時，采用流程圖的方式，重點講述了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變換器結構和工作原理

2.1 組成結構

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

圖1 DC／DC變換器結構內(nèi)部圖

2.2 控制原理

動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和其他低壓負載，當沒上高壓時，低壓用電器由蓄電池供電。當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變換器啟動后，動力電池高壓電傳送至DC／DC變換器，經(jīng)DC／DC變換器轉換后輸出穩(wěn)定可靠的低壓電。DC／DC變換器需要達到整車低壓用電器實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汽車低壓電器用電量平衡的問題，研究電動車在各種工作狀態(tài)下，DC／DC變換器在整個電動汽車低壓電器系統(tǒng)中的匹配情況，需要確保在各種運行條件下，電動汽車的蓄電池一直是在充電中的。

純電動汽車常用蓄電池是12V，因此全文以DC／DC變換器以額定輸出電壓14V為例進行講解，其他型號類同。根據(jù)GB／T 24347-2009［3］中5.16.2提到：對于恒壓輸出特性的DC／DC變換器在額定輸出電壓下的相對誤差不大于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類為長時間使用的低壓用電器，如水泵；第3類為短時間使用的低壓用電器，如踏步燈。通過某款電動車低壓用電器分類實例，如表1所示，進一步了解低壓電器件的分類情況。

3.2 用電量計算

根據(jù)電平衡原則［4］，DC／DC的輸出額定電流Ik=電動汽車所有正在使用的低壓用電器電流Ij之和。采用電動汽車低壓用電器計算公式：Ik=∑Ij×ηj（其中Ij為第j個用低壓電器工作電流，ηj為第j個用電器所對應的使用頻率系數(shù)），可以算出DC／DC變換器的輸出電流。結合表1，通過某款電動車實例分析，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算用電量，通常以1.2倍進行選型。同時考慮成本，初步選定某款純電動車車用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)運行時間應不小于6min。因此DC／DC峰值功率要求3200kW，持續(xù)時間至少為6min。

表1 低壓電器加權表

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，要是檢測VCU通過CAN信號發(fā)送喚醒信號，就被激活。DC／DC變換器被喚醒后，進入上電自檢。如果自檢失敗，DC／DC變換器將匯報error狀態(tài)，進入不可恢復故障機制 （參考不可恢復處理策略）。如果自檢通過，DC／DC變換器將匯報Not working狀態(tài)。DC／DC變換器檢測DC／DC變換器使能信號及自檢成功，則匯報working狀態(tài)。DC／DC變換器處于working狀態(tài)時，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)，如檢測到故障，將進入故障處理 （請參考故障處理策略）。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VCU發(fā)送DC／DC變換器停止充電請求，將停止充電。DC／DC變換器停止充電后，匯報Not working狀態(tài)；并返回Not working，然后向VCU發(fā)送休眠請求，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變換器檢測到自身故障時，將停止充電。DC／DC變換器停止充電后，匯報error狀態(tài)，進入故障處理 （請參考故障處理策略）。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：一類是可恢復故障，另一類是不可恢復故障。可恢復故障是指故障級別低，DC／DC變換器允許該類故障消除后重新啟動。不可恢復故障是指故障嚴重，DC／DC變換器必須進入休眠。只有DC／DC變換器再次從休眠被喚醒之后才能重新執(zhí)行輸出請求。

4.4.1 可恢復故障處理策略

DC／DC變換器檢測到可恢復故障后，關閉低壓輸出，啟動故障恢復超時計數(shù)器，統(tǒng)計同一可恢復故障的發(fā)生次數(shù)。如果DC／DC變換器檢測到可恢復故障在30s內(nèi)沒有自動恢復，或者可恢復故障發(fā)生次數(shù)超過20次，將進入不可恢復故障處理 （參考不可恢復處理策略）。若沒有，DC／DC變換器通過DC／DC變換器_Status報文匯報Not working狀態(tài)，進入正常充電流程。可恢復故障處理的策略圖6所示。

圖6 可恢復故障處理的策略

4.4.2 不可恢復故障處理策略

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

5 結論

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

圖7 不可恢復故障處理的策略