一种纯电动汽车DC/DC变换器选型设计与控制策略研究

肖 聪，汪 斌，窦明佳

（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北 武汉 430056）

1 引言

随着新能源汽车的普及，尤其是纯电动车的推广，整车电器的供电方式发生了变化。不同于传统燃油车发电机的供电方式，纯电动车采用的是通过直流转换直流变换器 （DC／DC变换器）把动力电池的高压电转换成低压电，最终给整车低压用电器供电。根据国家能源政策的调整，市场上的纯电动汽车越来越多，因此DC／DC变换器也得到了普遍应用，DC／DC变换器选型匹配、工作策略成为新能源汽车设计工作的关注重点。

本文通过对某款纯电动汽车整车低压用电器进行实例数据分析，列出在不同使用频率下，各用电器的使用状态情况，根据对应加权系数，最终计算出整车低压用电实际的需求量，进而实现DC／DC变换器选型匹配。本文详细说明了DC／DC变换器的内部结构和工作原理，同时，采用流程图的方式，重点讲述了DC／DC变换器在上电模式、下电模式、故障处理模式的工作策略。

2 DC／DC变换器结构和工作原理

2.1 组成结构

DC／DC变换器经过不断的改进，主流的配置［1］主要由预充电路、滤波器、逆变电路、变压器、整流滤波电路、驱动电路、检测电路、CAN通信电路以及CPU控制系统等构成。其中输入滤波器有效地抑制了传导干扰，整流滤波电路降低了电源输出纹波噪声。驱动电路为CPU供电，检测电路检测DC／DC变换器内部各种信息转给CPU，CAN通信电路使CPU与外部设备通信，CPU控制系统就根据指令和内部状态信息控制各个电路，使DC／DC变换器稳定输出电流［2］。内部结构图如图1所示。

图1 DC／DC变换器结构内部图

2.2 控制原理

动力电池高压输出端与DC／DC变换器输入端相连，蓄电池与低压用电器并联后与DC／DC变换器输出端相接，VCU（整车控制器）通过CAN线与DC／DC变换器想通。低压用电器包括VCU和其他低压负载，当没上高压时，低压用电器由蓄电池供电。当VCU收到上高压指令后，控制接触器并使能DC／DC变换器，使DC／DC变换器工作。DC／DC变换器启动后，动力电池高压电传送至DC／DC变换器，经DC／DC变换器转换后输出稳定可靠的低压电。DC／DC变换器需要达到整车低压用电器实际用电情况和蓄电池的充放电平衡，既要给低压用电器供电，也要不断给蓄电池充电，具体DC／DC变换器工作策略详见第4节内容。DC／DC变换器控制原理如图2所示。

图2 DC／DC变换器控制原理图

3 DC／DC变换器的计算与选择

3.1 用电器分类

选型合适的DC／DC变换器就是讨论电动汽车低压电器用电量平衡的问题，研究电动车在各种工作状态下，DC／DC变换器在整个电动汽车低压电器系统中的匹配情况，需要确保在各种运行条件下，电动汽车的蓄电池一直是在充电中的。

纯电动汽车常用蓄电池是12V，因此全文以DC／DC变换器以额定输出电压14V为例进行讲解，其他型号类同。根据GB／T 24347-2009［3］中5.16.2提到：对于恒压输出特性的DC／DC变换器在额定输出电压下的相对误差不大于1%，因此DC／DC变换器额定输出电压范围为13.86～14.14V。

电动汽车随着工况不同，各种低压电器的使用频率也不一样。整车低压用电器根据使用范围可分为3类：第1类是必须无条件连续使用的低压用电器，如VCU；第2类为长时间使用的低压用电器，如水泵；第3类为短时间使用的低压用电器，如踏步灯。通过某款电动车低压用电器分类实例，如表1所示，进一步了解低压电器件的分类情况。

3.2 用电量计算

根据电平衡原则［4］，DC／DC的输出额定电流Ik=电动汽车所有正在使用的低压用电器电流Ij之和。采用电动汽车低压用电器计算公式：Ik=∑Ij×ηj（其中Ij为第j个用低压电器工作电流，ηj为第j个用电器所对应的使用频率系数），可以算出DC／DC变换器的输出电流。结合表1，通过某款电动车实例分析，Ik=156.86A，因此Pk=Ik×U=2196.04W。

为了确保整车低压用电器实际用电情况和蓄电池的充放电平衡，DC／DC变换器功率需要大于整车低压电器的计算用电量，通常以1.2倍进行选型。同时考虑成本，初步选定某款纯电动车车用DC／DC变换器功率规格为2600W。根据GB／T 24347-2009中5.11及6.11中提到：DC／DC变换器的过载输出功率不小于其额定功率的1.2倍，持续运行时间应不小于6min。因此DC／DC峰值功率要求3200kW，持续时间至少为6min。

表1 低压电器加权表

4 DC／DC变换器工作策略

通过第2节和第3节内容已经了解DC／DC变换器的工作原理与选型方法，本节重点讲解DC／DC变换器工作策略。

4.1 DC／DC变换器的低压上电策略

DC／DC变换器处于休眠状态时，要是检测VCU通过CAN信号发送唤醒信号，就被激活。DC／DC变换器被唤醒后，进入上电自检。如果自检失败，DC／DC变换器将汇报error状态，进入不可恢复故障机制 （参考不可恢复处理策略）。如果自检通过，DC／DC变换器将汇报Not working状态。DC／DC变换器检测DC／DC变换器使能信号及自检成功，则汇报working状态。DC／DC变换器处于working状态时，将根据VCU的充电指令和自身的状态调整输出。DC／DC变换器在Not working状态，如检测到故障，将进入故障处理 （请参考故障处理策略）。DC／DC变换器低压上电策略如图3所示。

4.2 DC／DC变换器的正常下电策略

DC／DC变换器在充电过程中，DC／DC变换器检测VCU发送DC／DC变换器停止充电请求，将停止充电。DC／DC变换器停止充电后，汇报Not working状态；并返回Not working，然后向VCU发送休眠请求，如果同意，DC／DC变换器就休眠。DC／DC变换器的正常下电策略如图4所示。

4.3 DC／DC变换器的异常下电策略

DC／DC变换器在充电过程中，DC／DC变换器检测到自身故障时，将停止充电。DC／DC变换器停止充电后，汇报error状态，进入故障处理 （请参考故障处理策略）。DC／DC变换器的异常下电策略如图5所示。

4.4 DC／DC变换器故障处理策略

图3 DC／DC变换器低压上电策略

图4 DC／DC变换器的正常下电策略

图5 DC／DC变换器的异常下电策略

DC／DC变换器的故障分为两类：一类是可恢复故障，另一类是不可恢复故障。可恢复故障是指故障级别低，DC／DC变换器允许该类故障消除后重新启动。不可恢复故障是指故障严重，DC／DC变换器必须进入休眠。只有DC／DC变换器再次从休眠被唤醒之后才能重新执行输出请求。

4.4.1 可恢复故障处理策略

DC／DC变换器检测到可恢复故障后，关闭低压输出，启动故障恢复超时计数器，统计同一可恢复故障的发生次数。如果DC／DC变换器检测到可恢复故障在30s内没有自动恢复，或者可恢复故障发生次数超过20次，将进入不可恢复故障处理 （参考不可恢复处理策略）。若没有，DC／DC变换器通过DC／DC变换器_Status报文汇报Not working状态，进入正常充电流程。可恢复故障处理的策略图6所示。

图6 可恢复故障处理的策略

4.4.2 不可恢复故障处理策略

DC／DC变换器检测到不可恢复故障后，关闭低压输出，汇报STOP状态。然后向VCU发送休眠请求，如果同意，DC／DC变换器就休眠。不可恢复故障处理的策略如图7所示。

5 结论

本文提出了一种纯电动汽车DC／DC变换器选型设计与控制策略研究方法。文章首先介绍了DC／DC变换器的内部结构和工作原理，对DC／DC变换器较系统地说明。然后通过实例分析，提出一种电量平衡计算方法，匹配合适的DC／DC变换器型号。最后再对DC／DC变换器的控制策略进行详细的说明，分别介绍上电、下电、故障处理的策略方法。全文方法经过实车验证，具有一定的参考作用。

图7 不可恢复故障处理的策略