专利名称：纯电动汽车用直流变换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于纯电动汽车直流变换的装置，利用本装置对纯电动汽车的电池输出电压进行变换，为后级用电设备供电。
背景技术：
随着我国经济的发展，汽车的产销量和保有量都保持着高速稳定的发展态势。有专家指出，按照现在的发展速度，我国的燃油生产将面临更大的压力，能源供应及环境的压力正在成为汽车行业发展的制约因素。我国汽车产业的未来，必然要走发展更清洁更节能之路。电动汽车以清洁的、可再生的能源为动力，必将成为汽车大家庭中的重要成员。电动汽车的电源多为电池，因电池组的输出电压波动范围大，且供电单元的电池数量不一样，电压波动范围是不一样的，而后级电压一般都要求稳压在24V以及24V以内的电压水平，在负载从空载到满载以及输入从最小电压到最大电压波动时，输出电压的波动范围在0. 2V以内。鉴于车载特殊的使用场合，要求该变换器必须具备应有的设计功能和性能，而且也要满足对体积、效率、重量、可靠性、电磁干扰与抗干扰性、热性能、噪声等方面的特殊要求。随着电动汽车载重量以及运行速度的提高，对车载电源功率以及车载电源的要求越来越高。结合现代纯电动汽车对车载装置的特殊要求，吸收传统的纯电动汽车用DC-DC变换器的优势，采用功率单元并联的形式实现功率大、体积小的DC转换器，可以极大的提高系统的可靠性和性价比。研究在车载动力电源供电下，基于功率单元并联技术、基于工况的多模式控制技术和优化保护功能的纯电动车用DC-DC变换器，对提高电动汽车的运行效率有明显重要的意义。鉴于此，本申请人申请了实用新型专利“纯电动汽车直流变换器”(专利号201120157092. 6)，是宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用直流变换器，主要由电性连接的输入控制继电器、功率并联单元、EMI处理单元、输出控制继电器以及控制和保护单元组成。该变换器的功率单元并联和脉冲控制芯片，不仅变换器体积小，还能显著提高工作效率；能够按照输入电压的波动情况以及负载的变化特征，自动实现输出电压的稳压和环流抑制；出现短路故障时系统能够以最快的速度关闭功率器件的脉冲。然而，该技术方案还存在有以下不足一、由于电动汽车用直流变换器的输入电源为电池，同时输出端也要接电池进行稳压，由于输出端电池电量随机性，如果直流变换器工作在恒压模式，在启动瞬间，直流变换器会产生一个很大的冲击电流，这时直流变换器就会通过控制和保护模块关闭输入控制开关，等待故障排除后才重新启动，这样就会造成直流变换器频繁的启动、关闭，极大的降低了直流变换器的可靠性。二、在运行过程中检测到有异常信号时，仅仅切断电源，等待故障排除后重新启动，这样就失去了软启动功能，同时在输出电池欠压时易造成频繁启动与停止，造成输出开关控制模块老化。[0008]因此，该直流变换器的工作模式和保护功能还有待进一步优化，可靠性和实用性还需提闻。
发明内容本实用新 型为了解决上述现有技术存在的不足，而提出一种针对纯电动汽车而设计的基于功率单元并联技术和工况的多模式控制技术的隔离降压型DC-DC变换器，以适用于各种不同型号、不同功率的纯电动汽车，并确保输出电压精度和效率。本实用新型是通过以下方案实现的上述纯电动汽车用直流变换装置，包括电性连接的输入开关控制模块、功率并联单元、EMI处理模块和控制和保护模块；所述直流变换装置还包括与上述模块电性连接的信号采集模块、模式转换模块和驱动模块。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述功率并联单元主要由并联的两组模块组成，其中每组模块由高频逆变模块、高频隔离模块、全波变换模块和无源滤波模块串联构成。所述高频逆变模块实现恒定直流电压经过电压型逆变器变换成高频方波电压。所述无源滤波模块采用无源滤波电路实现脉动直流电变换成恒定的直流电。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述EMI处理模块抑制变压器二次侧的传导干扰。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述信号采集模块采集电池电压和试充电电流，并且将采集到的信号输出到所述的模式转换模块和控制和保护模块。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述模式转换模块根据所述信号采集模块输出的信号以及供电电源的电压值，转换该直流变换装置的进入恒流工作模式、恒压工作模式或保护工作模式。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述控制和保护模块具有系统开机前的状态检测以及自诊断、为所述驱动模块提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护功能。所述的纯电动汽车用直流变换装置，其中所述驱动模块将所述控制和保护模块输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号。所述驱动模块还有检测IGBT短路故障的功能。有益效果用于纯电动汽车直流变换的装置，对纯电动汽车的电池输出电压进行变换，为后级用电设备供电。该改进型纯电动汽车用直流变换装置对直流变换器的工作模式、输入开关控制模块以及保护功能进行优化，提高了装置的可靠性和适用性。该装置适用于各种不同功率的电动汽车的直流变换，能适用于各种用于不同型号、不同功率的纯电动汽车，通过更换部分零件和设定部分参数可以满足各种电动汽车的对DC-DC变换器的要求，并确保该变换器输出电压精度高，适应好，效率高。本实用新型优化了直流变换器的工作模式、输入开关控制模块以及保护功能，新研制的电源装置可靠性和实用性大大提高。
图I是本实用新型电动汽车用直流变换装置的系统结构框图。图2是本实用新型电动汽车用直流变换装置的功率单元并联结构框图。
具体实施方式
如图I、图2所示，本实用新型的电动汽车用直流变换装置，主要由输入开关控制模块I、功率单元2、EMI处理模块3、信号采集模块4、模式转换模块5、控制和保护模块6以及驱动模块7组成。输入开关控制模块I用于状态检测正常后开关闭合，故障时断开开关；如图2所示，功率单元2采用功率单元并联技术，包括并联的两组模块，该两组模 块的每组包括依次串联的高频逆变模块21、高频隔离模块22、全波变换模块23和无源滤波模块24。高频逆变模块21实现将恒定直流电压经过电压型逆变器变换成高频方波电压，采用新型的拓扑结构，在高频变压器一次侧和二次侧均设有两个相互独立的绕组，其中变压器一次侧两个相互独立的绕组并联，采用带中心抽头的变压器的逆变电路结构，实现直流到交流的变换，克服了传统的单相半桥或者单相全桥逆变器要么主电路结构复杂，要么驱动电路需要隔离的缺点，新型的拓扑结构实现了主电路结构简单，控制驱动简化的优点，大大降低了整个变换器的成本，同时提高了系统的可靠性；高频隔离模块22主要通过高频变压器，结合高频开关器件和控制器件的开特性，在控制性能和效率最优的情况下设计变压器的参数，实现整流侧的最佳控制电压。全波变换模块23利用单相全波整流电路实现将高频交流电变换成脉动直流电。无源滤波模块24采用无源滤波电路，实现将脉动直流电变换成恒定的直流电。EMI处理模块3抑制变压器二次侧的传导干扰. 信号采集模块4采集电池电压和试充电电流，并且将采集到的信号输出到模式转换模块5和控制和保护模块6，以判断输入电池是否欠压、输入电池是否接反，输出电池是否欠压、输出电池是否接反，输出是否过压、过流，输出是否短路。模式转换模块5根据信号采集模块4采集输出的电池电压的值、试充电电流的大小以及供电电源的电压值，判断直流变换装置的状态，分别进入不同的工作模式如果输出电池处于严重欠压状态，则直流变换器工作恒流模式，对电池进行充电，直到电池电压达到合适工作电压后转入恒压工作模式，若系统检测有故障则进入保护工作模式。控制和保护模块6主要实现以下功能系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动模块7提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护。驱动模块7的功能将控制和保护模块6输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号，驱动模块7同时还有检测IGBT短路故障的功能。工作过程电动汽车电源主开关合上后，控制和保护模块6开始进行自检，进入自诊断模式，通过硬件电路实现系统初始状态的自诊断，检测输出端电池是否接上，输出电池是否反接，输出是否短路，检测输入电压是否反接，检测输入电压是否欠压，如果有一个出现故障则系统不启动。自诊断确认正常以后，控制和保护模块6向输入开关控制模块I发出控制信号，直流变换装置进入启动模式，驱动模块7工作，控制和保护模块6通过分析信号采集模块4提供的电池电压和试充电电流，通过模式转换模块5确定直流变换装置的工作模式，若输出电池欠压则直流变换装置工作在恒流工作模式，否则进入恒压工作模式。在正常工作模式，输入电压通过输入开关控制模块I、功率单元2 (高频逆变模块21、高频隔离模块22、全波变换模块23和无源滤波模块24)以及EMI处理模块3，将高压直流电变换成低压直流电给输出电池和负载供电。在工作过程中，控制和保护模块6检测是否有出现输出过压、输出过流、开关管过热、输入电压不正常等情况，一旦出现则进入保护工作模式。保护工作模式中，当出现此类故障时，控制和保护模块6进入故障保护处理工作流程，经过一定时间的延时后，如果故障排除，系统自动恢复进入正常工作模式。本实用新型的电动汽车用直流变换装置具有以下特点I.基于工况的多模式控制技术根据电池电压的值和试充电电流的大小，判断电池状态，如果电池处于严重欠压状态，则直流变换器工作恒流模式，对电池进行充电，直到电池电压达到合适工作电压后转入恒压工作模式。2.功率单元并联技术该电动汽车用DC-DC变换器使用采用功率单元并联的新型拓扑结构和脉冲控制芯片，采用输出电压和输出电流双闭环控制，按照输入电压的波动情况以及负载的变化特征，自动实现输出电压的稳压和环流抑制，同时变换器具有良好的性能指标。采用功率单元并联技术不仅能减小变换器的体积，而且还能显著提高其工作效率，经实际测试在满载(14. 2V/600W)时效率可达到90. 5%。3.保护功能逻辑优化对保护功能进行了优化，进入运行模式后，如果检测到输出电池欠压就进入恒流模式，当电压升到13V以上后进入恒压模式，同时检测负载状态和输入电池状态，出现故障时，立即关闭脉冲同时断开主回路供电，等待2S后若故障排除则重新启动，此时进入启动模式，启动模式结束后进入正常工作模式。本实用新型采用基于功率单元并联技术、基于工况的多模式控制技术的纯电动车用DC-DC变换器控制原理、硬件PID、高频逆变、整流和滤波技术，实现变换器宽输入、高效率，性能可靠。采用多模式控制技术和脉冲闭锁功能提高了系统的可靠性，降低电动汽车的使用成本，促进了其产业化进程。
权利要求1.一种纯电动汽车用直流变换装置，包括电性连接的输入开关控制模块、功率并联单元、EMI处理模块和控制和保护模块；其特征在于所述直流变换装置还包括与上述模块电性连接的信号采集模块、模式转换模块和驱动模块。
2.如权利要求I所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述功率并联单元主要由并联的两组模块组成，其中每组模块由高频逆变模块、高频隔离模块、全波变换模块和无源滤波模块串联构成。
3.如权利要求2所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述高频逆变模块实现恒定直流电压经过电压型逆变器变换成高频方波电压。
4.如权利要求2所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述无源滤波模块采用无源滤波电路实现脉动直流电变换成恒定的直流电。
5.如权利要求I所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述EMI处理模块抑制变压器二次侧的传导干扰。
6.如权利要求I所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述信号采集模块采集电池电压和试充电电流，并且将采集到的信号输出到所述的模式转换模块和控制和保护模块。
7.如权利要求I或6所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述模式转换模块根据所述信号采集模块输出的信号以及供电电源的电压值，转换该直流变换装置的进入恒流工作模式、恒压工作模式或保护工作模式。
8.如权利要求I所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述控制和保护模块具有系统开机前的状态检测以及自诊断、为所述驱动模块提供四路PWM、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现输入电池反接保护和电压欠压保护、输出电池反接保护和电压欠压模式转换、过流保护、过热保护以及短路硬件保护功能。
9.如权利要求8所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述驱动模块将所述控制和保护模块输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为IGBT的开通和关断信号。
10.如权利要求9所述的纯电动汽车用直流变换装置，其特征在于所述驱动模块还有检测IGBT短路故障的功能。
专利摘要本实用新型涉及纯电动汽车用直流变换装置，其包括电性连接的输入开关控制模块、功率并联单元、EMI处理模块和控制和保护模块；所述直流变换装置还包括与上述模块电性连接的信号采集模块、模式转换模块和驱动模块。该装置对纯电动汽车的电池输出电压进行变换，优化了直流变换器的工作模式、输入开关控制模块以及保护功能，可靠性和实用性大大提高，适用于各种不同功率的电动汽车的直流变换，适应好，效率高。
文档编号H02M3/00GK202616993SQ20122015312
公开日2012年12月19日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者梅建伟, 姜木霖, 蒋伟荣, 史旅华, 赵榕 申请人:湖北汽车工业学院