一种高可靠性恒流车载DCDC变换器及控制方法与流程

本发明涉及汽车电子技术领域，尤其是一种高可靠性恒流车载DCDC变换器及控制方法。

背景技术：
国内DCDC变换器主要集中应用于计算机，工业仪表，航天和自控设备等领域，尤其6～25W变换器的应用最广泛。2000年以后，随着微电子技术的高速发展和PWM开关技术趋于成熟，DCDC变换器已批量商业化生产，而且功率提升和开关频率提高成为其发展的必然趋势。然而车载DCDC变换器技术在国内仍然处于研发阶段，还没有形成可实际批量化应用的产品。车载DCDC变换器将电动汽车配置的动力电池标称输出(一般在300V左右)直流电压变换为可变的直流电压，现已广泛应用于电机驱动或辅助驱动汽车(包括：电动汽车EV或混合电动汽车HEV)的二次电源模块中。车载DCDC变换器是一种电压变换装置，其主要用途为在整车电气构架下的不同车载电网系统中实现电压变换和匹配，这里的车载DC/DC变换器特指在新能源汽车领域中广泛使用的高压到低压的变换器。根据不同的输入电压，车载DCDC变换器主要有两种：300VDC/DC变换器和144VDC/DC变换器，而输出电压一般为14V，当然，可根据整车负载情况的变化对输出电压进行灵活配置，配置范围分布在11V到16伏之间。车载DCDC变换器主要功能是采用典型的桥式拓扑联接和PI控制方式将高压母线电压转换成低压母线电压，并实现电流或电压的动态调节而供整车负载使用。现有的DCDC变换器主要应用于工业领域，存在以下不足或缺点：1)DCDC变换器的设计只能满足工业级需要，而达不到汽车级复杂，多变和极限工况的要求；2)现有产品稳定性、可靠性和耐久性有待于提高。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种DCDC功率变换器，用于增强控制电路模块和功率电路模块的运行稳定性、可靠性和耐久性，提高功率密度和变换效率，拓宽车型适应范围并实现成本优化。为了达到上述目的，本发明提供了一种高可靠性恒流车载DCDC变换器，包括：控制电路模块，所述控制电路模块包括单片机系统和辅助电源，所述单片机系统与辅助电源连接；功率电路模块，所述单片机系统与功率电路模块连接，所述功率电路模块包括主电路和反馈控制系统，所述主电路包括：桥式电路、变压器和整流电路，高压电池包与桥式电路连接，所述桥式电路包括多个功率开关管，所述桥式电路与变压器连接，所述变压器与整流电路连接，所述高压电池包产生的直流电经所述桥式电路逆变为交流电以驱动所述变压器，经所述变压器变压后的交流电通过所述整流电路整流形成低压直流输出，获取所述主电路的输入电流测量信号和输出电压测量信号，设定输入电流和输出电流的对应关系表，将所述对应关系表输入所述单片机系统中，所述单片机系统根据所述输入电流测量信号和所述对应关系表产生所述输出电流测量信号，所述反馈控制系统包括：第一减法器、第二减法器、第三减法器、第一比较器、第二比较器、PWM调节器和驱动电路，所述第一减法器的输入端分别输入设定的输出电压参考信号以及所述输出电压测量信号，其输出端为输出电压误差信号，所述第二减法器的输入端分别输入设定的输出电流参考信号以及所述输出电流测量信号，其输出端为输出电流误差信号，取所述输出电压误差信号和输出电流误差信号中最小的误差信号，并将该最小的误差信号输入所述第三减法器的第一输入端，所述第三减法器的第二输入端为所述输入电流测量信号，其输出端与所述PWM调节器的一输入端连接，所述第一比较器的输入端分别输入设定的逐个周期电流限制信号以及所述输入电流测量信号，其输出端与所述PWM调节器的另一输入端连接，所述第二比较器的输入端分别为设定的电流保护参考信号以及所述输入电流测量信号，其输出端与所述驱动电路的使能端连接，所述PWM调节器的输出端输出PWM信号，所述PWM信号经所述驱动电路输入所述功率开关管的栅极。进一步地，所述桥式电路为半桥电路或全桥电路。进一步地，所述桥式电路为全桥电路，所述桥式电路包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管，所述第一功率开关管的源极分别与第二功率开关管的漏极以及变压器的一输入端连接，所述第三功率开关管的源极分别与第四功率开关管的漏极以及变压器的另一输入端连接，所述第一功率开关管的漏极与第三功率开关管的漏极连接，所述第二功率开关管的源极与第四功率开关管的源极连接，所述高压电池包的阳极与第一功率开关管的漏极连接，其阴极与第二功率开关管的源极连接。进一步地，所述主电路还包括第一电容、第二电容和第三电容，所述第一电容一端和第二电容一端连接并接地，所述第一电容另一端与高压电池包的阳极连接，所述第二电容另一端与高压电池包的阴极连接，所述第三电容的一端与高压电池包的阳极连接，其另一端与高压电池包的阴极连接。进一步地，所述主电路还包括第一电感和第四电容，所述第一电感和第四电容连接，所述整流电路包括第一整流二极管和第二整流二极管，所述变压器的第一端依次通过所述第一电感、第四电容和第一整流二极管与所述变压器的第二端连接，所述第一整流二极管的阴极与所述变压器的第二端连接，所述变压器的第一端还依次通过所述第一电感、第四电容和第二整流二极管与所述变压器的第三端连接，所述第二整流二极管的阴极与所述变压器的第三端连接，所述第一整流二极管的阳极与第二整流二极管的阳极连接。进一步地，所述反馈控制系统还包括加法器，所述加法器的输入端分别为设定的补偿信号以及所述输入电流测量信号，其输出端与所述第三减法器的第二输入端连接。进一步地，所述补偿信号为斜坡补偿信号。本发明还提供了一种DCDC变换器的控制方法，应用在上述高可靠性恒流车载DCDC变换器上，包括以下步骤：获取所述主电路的输入电流测量信号、输出电流测量信号和输出电压测量信号；设定输出电压参考信号以及输出电流参考信号，根据所述输出电压参考信号以及输出电流测量信号获得输出电流误差信号，根据所述输出电流参考信号以及输出电压测量信号获得输出电压误差信号；获取所述输出电流误差信号和输出电压误差信号中的最小误差信号，并与所述输入电流测量信号比较以获得PWM信号，所述PWM信号依次经所述PWM调节器及驱动电路输入至所述功率开关管的栅极；通过所述PWM信号控制所述功率开关管的开关状态，进而控制所述变压器原边侧电压及相应的副边侧电压，将所述变压器副边侧电压经所述整流电路整流以获得所述DCDC变压器的输出电压。本发明针对多变的载荷工况，严苛的设计指标和复杂的车型环境，采用高容量的高频开关技术以及全新的恒流环拓扑电路设计，设计了DCDC变换器，本发明的有益效果是：根据输出电压误差信号和输出电流误差信号中的最小误差信号以及输入电流测量信号获得PWM信号，用于控制功率开关管的开关状态，取得了高功率密度，高稳定电压输出和高变换效率的效果；根据板级输入和输出的温度和电流传感器信号，结合与整车CAN通讯的点火和故障信号，根据恒流环模块和峰值电流控制模块实现了基于峰值电流控制的恒流环控制策略，较好地解决了DCDC变换器的智能化控制问题；采用了隔离功率电路模块和控制电路模块的电路设计方式，从而实现了高压输入和低压输出的安全隔离，使得DCDC功率管工作效率高而稳定，满足了DCDC变换器工作可靠性的技术要求；采用单片机系统实现了根据输入电流测量信号和对应关系表产生输出电流测量信号，省去了对输出电流的直接探测而设置的较多硬件装置，节省了成本；通过逐个周期电流限制模块对DCDC的桥式电路输入侧电流作逐个周期的电流限制，一旦发生过流的情况，便立即限制驱动PWM占空比，从而限制输出电流，使DCDC变换器保持工作在安全模式下，既保证了系统的可靠性又兼顾了整车对DCDC的功能要求；通过短路保护模块使得主电路一旦发生短路过流，就直接关闭DCDC变换器并上报短路故障，提高了DCDC变换器的安全性。附图说明图1为本发明实施例提供的高可靠性恒流车载DCDC变换器功能框图；图2为本发明实施例提供的高可靠性恒流车载DCDC变换器内部系统结构框图；图3a为本发明实施例提供的高可靠性恒流车载DCDC变换器的桥式电路的主电路的拓扑图；图3b为本发明实施例提供的高可靠性恒流车载DCDC变换器的桥式电路的反馈控制系统的拓扑图；图4为本发明实施例提供的在相同输入电压下效率和负载电流的曲线图；图5为本发明实施例提供的在相同输入电压下输出电压和负载电流的曲线图；图6为本发明实施例提供的在相同输出电压下效率和负载电流的曲线图。具体实施方式下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。如图1、图2、图3a和图3b所示，本实施例提供了一种高可靠性恒流车载DCDC变换器，其支持基于CAN总线的UnifiedDiagnosticServices(UDS)刷新，所述高可靠性恒流车载DCDC变换器包括：如图2所示，控制电路模块，所述控制电路模块包括单片机系统和辅助电源，所述控制电路模块还包括CAN收发器，车辆的点火钥匙唤醒输入命令输入给所述单片机系统的输入输出接口，所述单片机系统的输入输出系统还与故障灯连接，所述单片机系统与辅助电源连接；功率电路模块，所述单片机系统与功率电路模块连接，所述功率电路模块包括主电路和反馈控制系统，所述主电路包括：桥式电路、变压器和整流电路，所述主电路还包括高压互锁及放电电路(未在图3a中示出)，高压电池包与桥式电路连接，所述桥式电路包括多个功率开关管，所述桥式电路与变压器连接，所述变压器与整流电路连接，所述高压电池包产生的直流电经所述桥式电路逆变为交流电以驱动所述变压器，经所述变压器变压后的交流电通过所述整流电路整流形成低压直流输出，获取所述主电路的输入电流测量信号Ipri_sense和输出电压测量信号Vout_sense，设定输入电流和输出电流的对应关系表，将所述对应关系表输入所述单片机系统中，所述单片机系统根据所述输入电流测量信号Ipri_sense和所述对应关系表产生所述输出电流测量信号Iout_sense，即所述单片机系统实现了原边电流转换为副边电流，在硬件上省去了输出电流传感器和相关处理电路，所述单片机系统还提供了高温主动降额保护功能，即在达到一定温度，可以主动降低功率，在不停止DCDC功能的情况下，达到保护的作用，所述反馈控制系统包括：第一减法器、第二减法器、第三减法器、第一比较器、第二比较器、PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)调节器和驱动电路，所述第一减法器的输入端分别输入设定的输出电压参考信号Vout_set以及所述输出电压测量信号Vout_sense，其输出端为输出电压误差信号，所述第二减法器的输入端分别输入设定的输出电流参考信号Iout_set以及所述输出电流测量信号Iout_sense，其输出端为输出电流误差信号，取所述输出电压误差信号(其为正数)和输出电流误差信号(其为正数)中最小的误差信号，并将该最小的误差信号输入所述第三减法器的第一输入端，所述第三减法器的第二输入端为所述输入电流测量信号Ipri_sense，其输出端与所述PWM调节器的一输入端连接，所述第一比较器的输入端分别输入设定的逐个周期电流限制信号Ipri_limit_set以及所述输入电流测量信号Ipri_sense，其输出端与所述PWM调节器的另一输入端连接，所述第二比较器的输入端分别为设定的电流保护参考信号Ipri_pro_set以及所述输入电流测量信号Ipri_sense，其输出端与所述驱动电路的使能端连接，所述PWM调节器的输出端输出PWM信号，所述PWM信号经所述驱动电路输入所述功率开关管的栅极。所述第一减法器、第二减法器、第三减法器、加法器、第一比较器和第二比较器具有多种实现方式，可以通过运算放大器等器件实现，也可以通过单片机实现，在本实施例中，通过所述单片机系统实现第一减法器、第二减法器、第三减法器、加法器、第一比较器和第二比较器的功能。优选地，所述桥式电路为半桥电路或全桥电路。在本实施例中，所述桥式电路为全桥电路，所述桥式电路包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4，所述第一功率开关管Q1的源极分别与第二功率开关管Q2的漏极以及变压器T的一输入端连接，所述第三功率开关管Q3的源极分别与第四功率开关管Q4的漏极以及变压器T的另一输入端连接，所述第一功率开关管Q1的漏极与第三功率开关管Q3的漏极连接，所述第二功率开关管Q2的源极与第四功率开关管Q4的源极连接，所述高压电池包的阳极与第一功率开关管Q1的漏极连接，其阴极与第二功率开关管Q2的源极连接。可以想到的是，所述桥式电路还可以为半桥电路，其亦可以实现本发明提供的桥式电路的作用，故本发明也意图将该技术方案保护在内。在本实施例中，所述主电路还包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3(第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的整体即为图2中的高压电容及滤波电路)，所述第一电容C1一端和第二电容C2一端连接并接地，所述第一电容C1另一端与高压电池包的阳极连接，所述第二电容C2另一端与高压电池包的阴极连接，所述第三电容C3的一端与高压电池包的阳极连接，其另一端与高压电池包的阴极连接。在本实施例中，所述主电路还包括第一电感L1和第四电容C4(第一电感L1和第四电容C4即为图2中低压电容及滤波电路)，所述第一电感L1和第四电容C4连接，所述整流电路包括第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，所述变压器的第一端依次通过所述第一电感L1、第四电容C4和第一整流二极管D1与所述变压器T的第二端连接，所述第一整流二极管D1的阴极与所述变压器T的第二端连接，所述变压器的第一端还依次通过所述第一电感L1、第四电容C4和第二整流二极管D2与所述变压器T的第三端连接，所述第二整流二极管D2的阴极与所述变压器T的第三端连接，所述第一整流二极管D1的阳极与第二整流二极管D2的阳极连接。在本实施例中，所述反馈控制系统还包括加法器，所述加法器的输入端分别为设定的补偿信号S_comp以及所述输入电流测量信号Ipri_sense，其输出端与所述第三减法器的第二输入端连接，所述补偿信号为斜坡补偿信号。本实施例还提供了一种DCDC变换器的控制方法，应用在上述高可靠性恒流车载DCDC变换器上，包括以下步骤：获取所述主电路的输入电流测量信号Ipri_sense、输出电流测量信号Iout_sense和输出电压测量信号Vout_sense；设定输出电压参考信号Vout_set以及输出电流参考信号Iout_set，根据所述输出电压参考信号Vout_set以及输出电流测量信号Vout_sense获得输出电流误差信号，根据所述输出电流参考信号Iout_set以及输出电压测量信号Iout_sense获得输出电压误差信号；获取所述输出电流误差信号和输出电压误差信号中的最小误差信号，并与所述输入电流测量信号Ipri_sense比较以获得PWM信号，所述PWM信号依次经所述PWM调节器及驱动电路输入至所述功率开关管的栅极；通过所述PWM信号控制所述功率开关管的开关状态，进而控制所述变压器原边侧电压及相应的副边侧电压，将所述变压器副边侧电压经所述整流电路整流以获得所述DCDC变压器的输出电压。上述高可靠性恒流车载DCDC变换器具有恒流环(CurrentLoop)模块和峰值电流控制(PeakCurrentControl)模块，所述恒流环模块包括所述第二减法器，并通过第二减法器获得输出电流误差，所述峰值电流控制模块包括第三减法器，用于获得PWM信号(第三减法器的输出即为PWM信号)，所述峰值电流控制模块还包括所述加法器，通过输入电流测量信号Ipri_sense加上补偿信号S_comp以解决次谐波振荡问题。此外，在本实施例中，本发明在上述峰值电流控制模块和电流恒流环模块的基础上，增加了逐个周期电流限制(Cycle-by-CycleCurrentLimit)模块，即所述反馈控制系统还包括逐个周期电流限制模块,所述逐个周期电流限制模块包括第一比较器，所述第一比较器的一输入端为输入电流测量信号Ipri_sense，其另一输入端为设定的逐个周期电流限制信号Ipri_limit_set，其输出端与所述PWM调节器的另一输入端连接。所述逐个周期电流限制模块对DCDC的全桥输入侧电流作逐个周期的电流限制，一旦发生过流的情况，便立即限制驱动PWM占空比，从而限制输出电流，使DCDC变换器保持工作在安全模式下，保证了系统的可靠性又兼顾了整车对DCDC的功能要求，且还具有以下优点：a)比电流恒流环控制更加直接、快速和有效；b)该功能主要在负载突变的情况下具有比较大的优势。本发明还增加了DCDC电路的短路保护(ShortProtection)模块，以上两种模块(恒流环模块和峰值电流控制模块)在负载短路的情况下，保护响应速度仍然不足以保护DCDC不受损坏。因此，另外加入了一路高速过流保护电路，即检测DCDC全桥输出侧电流并通过硬件比较器实现高速过流保护。也就是说，所述反馈控制系统还包括短路保护模块,所述短路保护模块包括第二比较器，所述第二比较器的一输入端为输入电流测量信号Ipri_sense，另一输入端为设定的电流保护参考信号Ipri_pro_set，其输出端与所述驱动电路的ENB(使能)端连接，一旦发生短路过流，直接关闭DCDC变换器(根据驱动电路的ENB端获取的信号使得驱动电路断路进而实现DCDC变换器的关闭)并上报短路故障，该电路主要作用于负载短路情况。以上四个模块(恒流环模块、峰值电流控制模块、逐个周期电流限制模块和短路保护模块)综合运用，覆盖了输出过流的各种情况：负载较缓慢变大以致过流、负载快速变大过流、负载短路严重过流，兼顾了系统的可靠性和功能性。在上述四个模块(恒流环模块、峰值电流控制模块、逐个周期电流限制模块和短路保护模块)的基础上(其反馈控制系统如图3b所示)进行试验验证，获得了如图4、图5和图6所示的曲线图。如图4所示，当负荷电流变化时，在不同给定输出电压设置上(11V、14V、15.5V)，在不同负荷波动下，效率(即输出功率除以输入功率)能达到90％以上；如图5所示，当负荷电流变化时，输出电压控制很稳定，在14V时输出电压基本不受负荷电流变化影响；如图6所示，在输出电压稳定性要求很高的情况下，对于不同的输入电压(216V、318V、422V)，系统能保证变换效率不低于90％。综上，本发明针对多变的载荷工况，严苛的设计指标和复杂的车型环境，采用高容量的高频开关技术以及全新的恒流环拓扑电路设计，设计了DCDC变换器，本发明的有益效果是：根据输出电压误差信号和输出电流误差信号中的最小误差信号以及输入电流测量信号获得PWM信号，用于控制功率开关管的开关状态，取得了高功率密度，高稳定电压输出和高变换效率的效果；根据板级输入和输出的温度和电流传感器信号，结合与整车CAN通讯的点火和故障信号，根据恒流环模块和峰值电流控制模块实现了基于峰值电流控制的恒流环控制策略，较好地解决了DCDC变换器的智能化控制问题；采用了隔离功率模块和控制模块的电路设计方式，从而实现了高压输入和低压输出的安全隔离，使得DCDC功率管工作效率高而稳定，基本满足了DCDC变换器工作可靠性的技术要求；采用单片机系统实现了根据输入电流测量信号和对应关系表产生输出电流测量信号，省去了对输出电流的直接探测而设置的较多硬件装置，节省了成本；通过逐个周期电流限制模块对DCDC的桥式电路输入侧电流作逐个周期的电流限制，一旦发生过流的情况，便立即限制驱动PWM占空比，从而限制输出电流，使DCDC变换器保持工作在安全模式下，既保证了系统的可靠性又兼顾了整车对DCDC的功能要求；通过短路保护模块使得主电路一旦发生短路过流，就直接关闭DCDC变换器并上报短路故障，提高了DCDC变换器的安全性。上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。