一种PTC复用为DCDC的电动汽车电力转换系统的制作方法

一种ptc复用为dcdc的电动汽车电力转换系统
技术领域
1.本发明涉及电动汽车电力系统，尤其涉及一种ptc复用为dcdc的电动汽车电力转换系统。


背景技术：

2.参看图1所示，电动汽车的一般有obc部件、dcdc部件，或者obc部件和dcdc部件集成在一个部件中的二合一产品。参看图2示出的整车主要模块连接示意图，对于obc功能，整车在使用充电时是处于静止状态，它的失效不容易对驾驶员造成伤害，而dcdc部件工作在整车行驶中，一旦出现问题，整车低压用电设备会迅速耗光蓄电池的能量，车辆会限制行驶速度，或者蓄电池亏电，汽车无法工作，如果在高速行驶状态中，是非常危险的状态，所以dcdc的失效危害性远远大于其他电力转换设备。出于功能安全的考虑，想要做到安全等级d，就要做一个备份的dcdc，在原有dcdc失效时能代替失效部件进行工作。
3.ptc部件作为电动汽车的一个负载部件，其主要的拓扑如图3所示，一般由2到3组开关器件和加热部件串联组成。用于汽车处于低温时加热电池包，一般在整车运行时是不用工作的。而且相比于obc部件和dcdc部件来说，加热的功能并不是很常用。ptc的电路结构一般是一个开关器件串联一个加热片，并联在电池包上，整车通过控制开关器件的占空比来控制流过加热片的平均电流来控制发热功率。ptc的发热功率p=（du）2/r，其中p是ptc的加热功率，u是电池包或者obc的输出电压，d是igbt的占空比，r是加热片的等效电阻。ptc部件还需要can通信功能，要受整车控制，低压控制电源来自于kl30，高压线束连接在电池高压端。ptc可以看到作为一个简单的加热负载，和电力电子转换装置有一定的相似性。
4.参看图4，现有技术中dcdc部件要做到功能安全等级d，就要备份一个独立于原dcdc部件的备用dcdc，需要额外的壳体、高压线束、辅助电路、开关器件、安装空间等等，等于要增加额外的一套dcdc成本，这对于成本来说是不利的。
5.如果把dcdc备件做到ptc中，就可以节省成本和线束，对整车部件的安装也有好处。
6.因此，如何设计一种将dcdc备件做到ptc中的电动汽车的电力转换系统是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种ptc复用为dcdc的电动汽车电力转换系统。
8.本发明采用的技术方案是设计一种ptc复用为dcdc的电动汽车电力转换系统，其包括依次连接的obc模块、直流母线、高压电池包、控制器，所述直流母线通过dcdc模块连接低压蓄电池，所述直流母线连接ptc复用模块；所述ptc复用模块接收直流母线上的电能，用于对高压电池包加热；所述ptc复用模块在dcdc模块失效时，构建直流母线与低压蓄电池的电能传输通道。
9.在一个设计方案中，所述ptc复用模块包括第一继电器s1、第二继电器s2、变压器t，所述变压器t包括头尾相连的原边第一绕组l1和原边第二绕组l2；所述第一继电器s1的一个触点连接所述直流母线正极，第一继电器s1的另一个触点连接第二继电器s2的一个触点、第一加热片r1和第二加热片r2的一端，第一加热片r1的另一端连接第一开关管q1的一端和原边第一绕组l1同名端，第二加热片r2的另一端连接第二开关管q2的一端和原边第二绕组l2异名端，第一开关管q1和第二开关管q2的另一端连接直流母线负极，第二继电器s2的另一个触点连接原边第一绕组l1异名端和第二绕组l2同名端；所述第一继电器s1、第二继电器s2、所述第一开关管q1、第二开关管q2受控制器控制进行通断；变压器t副边绕组连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接所述低压蓄电池。所述变压器t副边绕组包括头尾相连的副边第一绕组l3和副边第二绕组l4，所述整流滤波模块包括第一二极管d1、第二二极管d2、续流二极管d3、滤波电感l0、滤波电容c1；副边第一绕组l3同名端连接第一二极管d1阳极，第一二极管d1阴极连接滤波电感l0的一端、续流二极管d3和第二二极管d2的阴极，滤波电感l0的一端的连接滤波电容c1一端和低压蓄电池正极，副边第二绕组l4异名端连接第二二极管d2阳极，副边第一绕组l3异名端和副边第二绕组l4同名端连接续流二极管d3阳极、滤波电容c1另一端和低压蓄电池负极。
10.在这一个设计方案中做变形，所述第一加热片r1的另一端串联第三继电器s3后连接第一开关管q1的一端和原边第一绕组l1同名端，所述第二加热片r2的另一端串联第四继电器s4后连接第二开关管q2的一端和原边第二绕组l2异名端；所述第三继电器s3和第四继电器s4受控制器控制进行通断。所述第二继电器s2、第三继电器s3和第四继电器s4采用同一个继电器上的触点，第二继电器s2用常开触点，第三继电器s3和第四继电器s4用常闭触点。
11.在另一个设计方案中，所述ptc复用模块包括第一继电器s1、第二继电器s2、变压器t，所述第一继电器s1的一个触点连接所述直流母线正极，第一继电器s1的另一个触点连接第一加热片r1和第三开关管q3的一端，第一加热片r1的另一端连接第一开关管q1的一端，第三开关管q3的另一端连接第二加热片r2的一端和第二继电器s2的一个触点，第二加热片r2的另一端和第二继电器s2的另一个触点连接第二开关管q2的一端和谐振电感lr的一端，第一开关管q1和第二开关管q2的另一端连接直流母线负极，谐振电感lr的另一端连接谐振电容cr的一端，谐振电容cr的另一端连接变压器t原边绕组lm的一端，原边绕组lm的另一端连接直流母线负极；所述第一继电器s1、第二继电器s2、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3受控制器控制进行通断；变压器t副边绕组连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接所述低压蓄电池。所述变压器t副边绕组包括头尾相连的副边第一绕组l3和副边第二绕组l4，所述整流滤波模块包括第一二极管d1、第二二极管d2滤波电容c1；副边第一绕组l3同名端连接第一二极管d1阴极，第一二极管d1阳极连接第二二极管d2的阳极、滤波电容c1一端和低压蓄电池负极，第二绕组l4异名端连接第二二极管d2阴极，副边副边第一绕组l3异名端和副边第二绕组l4同名端连接滤波电容c1另一端和低压蓄电池正极。
12.本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明将dcdc备件和ptc模块中做在一起，使此模块既有加热能力，也可在dcdc部件失效时作为dcdc备件来替代整车功能，有效利用ptc的机壳和线束、水道以及控制电路，使的实现ptc功能和dcdc备份功能，本发明有完整的整车ptc功能，对电池加热，也有完整的
dcdc功能；可以完成电压转换，将高压转化成14v低压电；也可以完成和整车的通信、输出过欠压保护和过流保护，既增加功能安全的到d，也节省了很多成本，减少了很多线束。
附图说明
13.下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：图1是电力转换系统产品外观示意图；图2是现有技术中整车主要模块连接示意图；图3是现有技术中ptc拓扑结构示意图；图4是现有技术中增加dcdc备份的整车主要模块连接示意图；图5是本发明增加ptc复用模块整车主要模块连接示意图；图6是本发明第一种ptc复用模块的电路图；图7是第一种ptc复用模块第一开关管q1导通时工作状态图；图8是第一种ptc复用模块第二开关管q2导通时工作状态图；图9是第一种ptc复用模块的仿真图；图10为第一ptc复用模块驱动时序和输出的波形图；图11为第一ptc复用模块开关管输出电流和开关管应力波形对照图；图12为第一种ptc复用模块改进方案的电路图；图13是本发明第二种ptc复用模块的电路图；图14是第二种ptc复用模块dcdc不工作时的状态简化图；图15是第二种ptc复用模块dcdc工作而ptc不工作时的状态简化图；图16是第二种ptc复用模块的仿真图；图17是第二种ptc复用模块驱动时序和输出的波形图。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
15.本发明公开了一种ptc复用为dcdc的电动汽车电力转换系统，参看图5，其包括依次连接的obc模块、直流母线、高压电池包、控制器，所述直流母线通过dcdc模块连接低压蓄电池，所述直流母线连接ptc复用模块；所述ptc复用模块接收直流母线上的电能，用于对高压电池包加热；所述ptc复用模块在dcdc模块失效时，构建直流母线与低压蓄电池的电能传输通道。
16.参看图5，obc模块左侧连接交流电网、右侧向直流母线输出直流电。在dcdc模块失效时，控制器控制ptc复用模块接替dcdc模块进行工作，可将直流母线上的电能传输给低压蓄电池。
17.参看图6示出的第一种ptc复用模块的电路图，所述ptc复用模块包括第一继电器s1、第二继电器s2、变压器t，所述变压器t包括头尾相连的原边第一绕组l1和原边第二绕组l2；所述第一继电器s1的一个触点连接所述直流母线正极，第一继电器s1的另一个触点连接第二继电器s2的一个触点、第一加热片r1和第二加热片r2的一端，第一加热片r1的另一
端连接第一开关管q1的一端和原边第一绕组l1同名端，第二加热片r2的另一端连接第二开关管q2的一端和原边第二绕组l2异名端，第一开关管q1和第二开关管q2的另一端连接直流母线负极，第二继电器s2的另一个触点连接原边第一绕组l1异名端和第二绕组l2同名端；所述第一继电器s1、第二继电器s2、所述第一开关管q1、第二开关管q2受控制器控制进行通断；变压器t副边绕组连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接所述低压蓄电池。
18.图6示出的实施例中，所述变压器t副边绕组包括头尾相连的副边第一绕组l3和副边第二绕组l4，所述整流滤波模块包括第一二极管d1、第二二极管d2、续流二极管d3、滤波电感l0、滤波电容c1；副边第一绕组l3同名端连接第一二极管d1阳极，第一二极管d1阴极连接滤波电感l0的一端、续流二极管d3和第二二极管d2的阴极，滤波电感l0的一端的连接滤波电容c1一端和低压蓄电池正极，副边第二绕组l4异名端连接第二二极管d2阳极，副边第一绕组l3异名端和副边第二绕组l4同名端连接续流二极管d3阳极、滤波电容c1另一端和低压蓄电池负极。
19.第一ptc复用模块没有增加开关管，用推挽的拓扑完成dcdc的实现。即在两路开关管和加热片的连接点串联带中心抽头的变压器，变压器的中心抽头连接到高压电池的正端（直流母线正极），副边用半桥整流，来完成电力转换。单独进行ptc功能的时候s1和q1和q2开启，s2断开，此时ptc工作而dcdc备件功能不工作。当需要dcdc备件需要工作时，闭合s2。也就是说此解决方法的缺点是在启动dcdc备件功能时，ptc也开始加热了，但是由于占比本和推挽电路的原因，加热功率不会很高。另一个特点是开关管q1和q2的电压应力比较高，但是由于有加热片分压的原因，应力又小于传统的推挽电路。
20.此电路的工作逻辑是，q1和q2导通相差180
°
，q1导通时，加热片r1上流过电流，处在加热模式，假设此时的q1占空比为d（d<50%）此时输入电流流过r1和变压器流过a点，经过q1，留到电池包，副边整流二极管d1关断，d2导通，根据匝比转换电压，传递能量到负载端；q1关断之后，r1停止加热，q2等待（0.5
‑
d）个周期之后导通，加热片r2开始加热，电流流过r2和变压器到b，经过q2到电池包，副边整流二极管d1导通，d2关断。图7示出了第一种ptc复用模块第一开关管q1导通时工作状态图，图8示出了第一种ptc复用模块第二开关管q2导通时工作状态图。
21.按照设计思路，对此设计进行仿真，假设有400v电池组下满功率6400w的ptc模块，两个开关管各并联50欧姆的加热片，当开关管处于100%占空比时，加热功率为p=4002/25=6400w,在原有的ptc的基础上改进，连接一个带中心抽头的变压器匝比20:20:1:1，副边用半桥整流，负载用0.1欧姆的电阻，此dcdc备件的输出电压为14.2v、2kw。仿真图如图9所示。
22.图10为第一ptc复用模块驱动时序和输出的波形图，图中vg1和vg2分别是第一开关管q1和第二开关管q2驱动波形，vout是ptc复用模块输出电压，在此方法下的开关管应力小于输入电压的二倍，因为此时的加在推挽电路的输入电压被加热电阻分压了。下图是此状态下的开关的应力波形。此时的电压应力不超过600v。
23.图11为开关管输出电流和开关管应力波形对照图，开关管应力小于二倍的输入电压，是本发明的优点之一。
24.图12示出了第一种ptc复用模块的改进方案，所述第一加热片r1的另一端串联第三继电器s3后连接第一开关管q1的一端和原边第一绕组l1同名端，所述第二加热片r2的另一端串联第四继电器s4后连接第二开关管q2的一端和原边第二绕组l2异名端；所述第三继
电器s3和第四继电器s4受控制器控制进行通断。该方案可以解决dcdc备件开启时ptc加热功能的也会开启的问题，在用于ptc功能时，第三继电器s3和第四继电器s4保持导通，在用dcdc备件功能时，第三继电器s3和第四继电器s4保持截止。在较佳实施例中，所述第二继电器s2、第三继电器s3和第四继电器s4采用同一个继电器上的触点，第二继电器s2用常开触点，第三继电器s3和第四继电器s4用常闭触点。
25.图13示出了本发明第二种ptc复用模块的电路图，所述ptc复用模块包括第一继电器s1、第二继电器s2、变压器t，所述第一继电器s1的一个触点连接所述直流母线正极，第一继电器s1的另一个触点连接第一加热片r1和第三开关管q3的一端，第一加热片r1的另一端连接第一开关管q1的一端，第三开关管q3的另一端连接第二加热片r2的一端和第二继电器s2的一个触点，第二加热片r2的另一端和第二继电器s2的另一个触点连接第二开关管q2的一端和谐振电感lr的一端，第一开关管q1和第二开关管q2的另一端连接直流母线负极，谐振电感lr的另一端连接谐振电容cr的一端，谐振电容cr的另一端连接变压器t原边绕组lm的一端，原边绕组lm的另一端连接直流母线负极；所述第一继电器s1、第二继电器s2、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3受控制器控制进行通断；变压器t副边绕组连接整流滤波模块，所述整流滤波模块连接所述低压蓄电池。
26.所述变压器t副边绕组包括头尾相连的副边第一绕组l3和副边第二绕组l4，所述整流滤波模块包括第一二极管d1、第二二极管d2滤波电容c1；副边第一绕组l3同名端连接第一二极管d1阴极，第一二极管d1阳极连接第二二极管d2的阳极、滤波电容c1一端和低压蓄电池负极，第二绕组l4异名端连接第二二极管d2阴极，副边副边第一绕组l3异名端和副边第二绕组l4同名端连接滤波电容c1另一端和低压蓄电池正极。
27.本实施例中，采用llc的拓扑结构，再串联谐振电感和谐振电容，构成半桥协整电路。在这种解决方法下，实现ptc加热的时候，继电器s1闭合，s2断开，q2保持常通，此时的b点相当于接地，dcdc变换器没有工作，不用担心有输出。当需要dcdc备件工作时，闭合s1，闭合s2短路加热片r2，q1一直处于关断状态，使得两块加热片都不工作，此时的q2和q3两个开关管交替导通，和lr、cr、lm构成谐振电路。副边用二极管进行板桥整流。在工作时q2和q3以50%占空比交替导通，通过控制开关频率来控制谐振频率来控制输出。此解决方法是增加了开关管q3和q3的驱动回路。使用谐振变换器的解决方法降低了开关损耗，开关管的应力也比较低。
28.图14是第二种ptc复用模块dcdc不工作时的状态简化图；图15是第二种ptc复用模块dcdc工作而ptc不工作时的状态简化图。按照之前400v电池输入，两个开关管两个加热片的ptc基础上增加输出14.2v 2000w的dcdc，按照saber搭建仿真模型如图16所示，在此工作状态下谐振频率为68khz。
29.第二种ptc复用模块dcdc驱动控制图如图17所示，在此工作状态下，开关管q1处于关断状态，也就不存在dcdc开启时加热功能也开启的现象，q2和q3以50%占空比互补导通，和lr、cr、lm构成谐振网络。此时的加热片r2被继电器s2短路，也不在加热，用半桥llc实现了dcdc转换。
30.图17中，图中vg1、vg2、vg3分别是第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3的驱动波形，vout是ptc复用模块输出电压。ptc加热时s2断开，q2恒开通，谐振腔b点被短接到地，llc没有输入不工作，而q3和q1按照加热功率的需求自由发占空比来控制加热功率。缺
点是增加了一个开关管，以及相应的控制回路，优点是实现了软开关，开关管损耗低，可以输出更大功率；变压器利用率没有比推挽电路的利用率高；开关管的电压应力比较低，可以较低成本地实现高输入电压的场景。
31.以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。