恒流模式DC/DC变换器在电动汽车中的应用

陈 东

（上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

在传统燃油车中，当车辆发动运行之后，整车用电设备的电是由发电机提供的，通过发电机的匹配达到整车的电量平衡；在电动汽车中，则是由高压转低压DC/DC变换器提供整车低压用电，通过DC/DC变换器匹配达到整车的电量平衡。DC/DC变换器是一种将高压直流转换为低压直流的装置。

1 DC/DC变换器工作模式

DC/DC变换器按输出模式上可以分为恒压工作模式和恒流工作模式。

1）DC/DC变换器恒压工作模式 DC/DC变换器恒压工作模式输出电压恒定，当整车负载电流小于DC/DC变换器的输出能力时，电压很稳定。当整车负载电流超过DC/DC变换器输出能力的1.2倍时，DC/DC将触发过流保护，DC/DC关闭输出。采用恒压模式的工作方式是受国标GB/T 24347的影响，国标要求“5.11峰值输出功率及持续时间 DC/DC变换器过载输出功率不小于额定功率的1.2倍。按照6-11所述的方法测量测出的峰值持续运行时间不低于6min”［1］。因此在DC/DC变换器应用中，经常应用恒压模式，通过预留1.2倍的余量来覆盖整车的最大负载。工作模式的优点是电压稳定，缺点是选型需要覆盖整车运行中出现的最大负载，选型功率需要很大，成本高。

2）DC/DC变换器恒流工作模式 DC/DC变换器的恒流工作模式输出电流根据整车负载大小进行调节，当整车负载电流小于DC/DC变换器的额定负载时，DC/DC变换器按整车需求负载输出，电压恒定；当整车负载大于DC/DC变换器时，DC/DC恒定额定电流恒流输出，DC/DC降低输出电压，此时由蓄电池补充整车需求的额外电流。采用恒流模式的优点是DC/DC不会断电，可以持续输出，选型可以只需覆盖平均用电需求即可，功率选型小，成本低，缺点是控制复杂，考虑输出纹波的影响。

2 DC/DC变换器两种工作模式应用对比

笔者将结合上汽大通V80纯电动汽车的DC/DC变换器开发经验，对恒压模式和恒流模式DC/DC变换器在整车中的应用进行对比介绍，对比两种工作模式在整车上的应用情况，以及基于两种模式选型结果进行了对比分析。

1）恒压模式DC/DC变换器应用 上汽大通V80纯电动汽车在项目初期采用的是恒压模式的DC/DC变换器，但是在路试过程中经常出现整车突然断电停驶的情况。经查看报文数据，发现DC/DC关闭输出，整车消耗蓄电池电，造成行车过程中蓄电池亏电。在蓄电池亏电的情况下，当整车出现比较大的负载时，例如EHPS，拉低蓄电池的电压至9 V以下，当整车系统电压下降到9 V以下，高压器件控制器不工作，导致整车无动力输出，车辆停驶。经过数据采集分析，发现整车负载电流大于DC/DC变换器输出能力时，DC/DC变换器关闭输出，见图1。

2）恒流模式DC/DC变换器应用 为解决整车断电停驶的问题，参考了发电机控制模式，发电机的输出模式是当整车负载大于发电机输出能力时，发电机将降低电压，将输出电流恒定在额定输出。通过调整控制方式，将DC/DC变换器改为恒流工作模式，让DC/DC按恒流模式输出。DC/DC改为恒流模式之后，在正常情况下DC/DC变换器未发生断电情况，保证了整车路试的正常进行。DC/DC变换器恒流输出情况见图2。

图1 DC/DC关闭输出

图2 DC/DC变换器恒流输出

3）恒压模式和恒流模式DC/DC变换器对比 不管是电动汽车还是燃油汽车，整车运行的工况和需求是一样的。在电动汽车中，参考燃油汽车的电平衡，按城市广场工况负载进行电量平衡匹配和评估，通过采集整车的城市工况数据来评估整车的电量平衡。城市广场工况转弯地方比较多，EHPS的工作峰值电流大，城市广场负载曲线见图3。通过城市数据的采集，发现如果要采用恒压模式的输出，DC/DC变换器需要覆盖整车出现的最大峰值电流，需要将DC/DC变换器功率提升至3.4 kW，才能覆盖整车最大的负载。但是采用恒流模式，只需要考虑平均负载消耗，出现峰值电流时，蓄电池提供放电，在其它情况下，DC/DC给蓄电池充电，来保证整车的电量平衡，采用此种方式，只需要2.5 kW功率即可满足。目前市面DC/DC变换器价格按1元/W估算，针对于V80纯电动汽车的这款车型，选择了恒流模式的DC/DC变换器，单车成本可以降低900元。

图3 整车城市广场工况负载

3 恒流模式DC/DC变换器实现的方式

1）恒流模式DC/DC变换器的控制方法 恒流模式DC/DC变换器工作简易原理框图见图4。整车高压直流电输入给DC/DC变换器，DC/DC变换器内的滤波电路对高压输入直流电进行滤波，再进入一级升压电路，将电压升压到一个稳定的高压，然后通过全桥电路将直流电变为交流电，通过变压器将高压交流电变为低压交流电，再通过同步整流器将低压交流电整流为低压直流电，再经输出滤波电路后低压输出，主控制器通过转换控制器控制全桥电路的通断。其特征是：在低压输出端前装有电流采样电路，通过输出电流采样信号将输出电流值输入主控制器，主控制器通过比较输出电流与额定电流，当输出电流高于额定电流时，主控制器通过转换控制器控制全桥电路的开闭，进行调整转换电流，进入恒流模式，DC/DC变换器按照恒定的额定电流输出；当输出电流小于额定电流时，DC/DC变换器按输出电流进行输出。

图4 恒流DC/DC变换器工作原理框图

2）DC/DC过电流误触发保护 DC/DC变换器在设计上因为需考虑到元器件的承受能力，需要进行保护措施，以防偶发性的超负载导致元器件的失效，从而导致DC/DC变换器的损坏，DC/DC变换器在设计上会有过电流保护。过流保护和恒定电流控制方法都是通过采样输出端的电流进行反馈控制。在过流保护和恒流模式的时序上需要格外注意。在V80纯电动汽车的开发中，就遇到了过电流保护误触发，见图5。在某些特定的工况下，例如低速或者停车急打转向时，整车会出现一个比较大的负载，在V80纯电动汽车上就采集到了250 A峰值电流，当整车在短时间的情况下突然出现远超出DC/DC变换器的输出负载情况下，DC/DC优先进入了过流保护，DC/DC变换器还未进入恒流，导致DC/DC变换器因过流保护关闭了输出。

针对于误触发的情况，提高采样频率缩短恒流切换时间并延长过电流保护进入时间。当出现峰值电流过大的情况，DC/DC变换器在1ms进入恒流模式，降低输出电压，限制电流输出，此时因输出电压降低，蓄电池参与放电，保证DC/DC变换器电流可以持续降低至额定电流，并且将过电流保护触发的时间延长至20 ms。当20 ms后，DC/DC变换器的电流已降低至额定电流，小于过流保护触发值，因此不会再出现过流保护。修正之后的DC/DC变换器输出见图6。修正测量之后，DC/DC产品在V80纯电动汽车上再未出现低压断电的情况。上汽大通V80纯电动汽车目前试验已完成，并且已顺利上市。

图5 过电流保护误触发

4 结论

图6 过流保护修正

本文给出了恒流模式和恒压模式DC/DC变换器的应用对比情况，并且给出恒流模式在电动汽车中的应用情况，阐述了恒流模式DC/DC变换器和恒压模式DC/DC变换器在应用中的优缺点。笔者推荐采用恒流模式DC/DC变换器，可以大大降低DC/DC变换器的选型功率，特别对于整车负载较大的车型，选型功率降低特别明显，成本上的降本也比较明显。本文也简单阐述了恒流DC/DC变换器的控制方法，介绍了在应用中容易出现的过电流误触发，针对此问题提供了相应的解决思路。本文中的恒流DC/DC变换器的控制方法笔者已作为第一发明人申请了发明专利，专利申请号：201610918726.2。