车载DC-DC高压电性能评价

【摘 要】文章从电动汽车的标准和设计指标出发，详细研究电动汽车高压系统的电性能相关要求，重点分析DC-DC变换器的高压安全及高压部件的电气性能的评价方法及必要性。

【关键词】DC-DC变换器;高压电性能;高压纹波;电压跳变

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0058-05

On-board DC-DC High-Voltage Electrical Performance Evaluation*

【Abstract】This paper starts from the standards and design specifications of electric vehicles （EVs），and conducts a detailed study on the electrical performance requirements of the high-voltage systems in EVs，with a focus on analyzing the high-voltage safety of DC-DC converters and the evaluation methods and necessity of the electrical performance of high-voltage components.

【Key words】DC-DC converter;high voltage property;high-voltage ripple test;voltage jump test

发展新能源汽车已成为国家战略性产业的重中之重，随着国家重点项目的支持，新能源汽车行业的增长速度显著加快。在这些车辆中，电机控制器和DC-DC变换器作为核心高压电子组件，在电动汽车中扮演着至关重要的角色，主要负责高压和低压电系统之间的能量转换。由于电动汽车的电力系统需在高压环境下稳定运行，所以在复杂的车载电子环境中，DC-DC变换器必须能够抵抗来自电源内网和其他电子设备的干扰。特别是在车辆加速或制动时，电力系统的动态响应对变换器的电压和电流控制能力提出了更高要求。这对于保障电动汽车的可靠性和安全性至关重要。高压电性能测试系统在这一背景下显得尤为关键，该系统能够在微秒级时间内精确控制电压的快速升降，输出具有复杂波形的电压和脉冲信号，确保了测试结果的准确性和可靠性，对于评估和验证DC-DC变换器的功能安全性提供了重要支持。

1 DC-DC抗干扰能力分析

1.1 Buck型DC-DC变换器模型的建立

DC-DC变换器是一款电压转换芯片，通过自激荡电路将输入的直流电转换为不同电压等级的直流电。常见的DC-DC变换器根据电压等级变换关系分为降压变换器、升压变换器、升降压变换器及降升压变换器，根据是否需要电气隔离又分为隔离型变换器和非隔离型变换器。

本文选用一种非隔离型DC-DC降压变换器，又称为Buck型DC-DC变换器，是一种输出直流电压小于输入直流电压的单管非隔离式DC-DC变换器，其原理如图1所示。

为便于分析问题，假设该Buck变换器为理想变换器。申流连续模式（continnous current mode，CCM）下，Buck电路的数学模型可表示为：

式中：E——输入的直流电压，V;R——电路的负载电阻值，Ω;iL——通过电感器的电流，A;VO—变换器的输出电压，V;μ——占空比，μ∈[0，1]。

根据上述公式，在实际测试评价中，往往可通过输入输出电压、电流、开关频率与占空比等关键参数计算得出样品电路中电感与电容的粗略估算值，方便后续评价与改善验证的分析。

1.2 高压性能测试评价

针对DC-DC变换器，常规的高压电性能测试包括耐瞬态过压测试、负载突降脉冲抗扰性测试、高压电源脉冲抗干扰性测试、电压骤降骤增测试及高压纹波抗干扰性测试。本文将特别关注DC-DC变换器的电压骤降测试和高压纹波抗干扰性测试，以此来验证和展示DC-DC变换器在极端电压条件下的性能、稳定性及抗干扰能力。

高压纹波抗干扰性测试主要模拟DC-DC变换器在输入端的抗干扰能力，在模拟电动汽车实际运行过程中，由BMS（电池管理系统）传递给DC-DC变换器的高压电通常含有各种干扰纹波，这些干扰可能会对DC-DC变换器的正常工作造成影响。本测试旨在通过在试验条件下在纯电压上耦合模拟的纹波，评估DC-DC变换器在现实驾驶条件下的抗干扰能力，从而确保其在复杂电气环境中的可靠性和稳定性。

电压骤降试验则是用来模拟汽车在冷启动时电池电压短暂下降的情况，这种情况下，电压会在短时间内下降，然后恢复到正常的工作电压。本试验旨在通过高压电性能测试系统精确模拟电压的下降及后续的上升过程，验证DC-DC变换器在面对电压突然下降时的瞬态响应能力。变换器需要能够快速调整其输出，以维持稳定的电压水平。测试中DC-DC变换器表现出的在电压不稳定时启动和运行安全性对理解DC-DC变换器在实际应用中的表现至关重要，也有助于优化其设计。

1.3 DC-DC抗干扰特性分析

在通过上述试验评价DC-DC变换器抗干扰能力的同时，以纹波测试为中心，重点考虑调整产品各项参数来有效提高Buck型DC-DC变换器的抗干扰能力。

1）开关频率f。提高开关频率有助于减少系统的共振频率，降低噪声。但过高的频率会增加开关损耗。

2）占空比D。占空比决定了输出电压与输入电压的比例，调整占空比可以改变输出电压，减少电压波动。公式为：Vout=D×Vin。

3）电感值L。电感值影响电流的变化速率，增加电感值可以减缓电流的变化，减少电压尖峰。电流变化率的公式为：

4）电容值C。输出电容用于平滑输出电压，增加电容值可以减小输出电压纹波。电容值的选择与输出电压纹波的关系为：

5）输入滤波器设计。设计输入滤波器以减少输入电压的波动和噪声，需要考虑滤波器的截止频率和阻抗特性。本文后续主要结合纹波试验中获得样品的阻抗曲线，尝试在样品输入端布置电容，实现对特定频率下的滤波功能。

2 试验设计与测试平台

本文测试方法与参数引用标准ISO 21498，结合整车实际采集电压波形，模拟并施加至DC-DC变换器输入端，验证DC-DC变换器在复杂的车载电子环境中的性能和稳定性。

2.1 电压骤降测试方法

为了准确还原实车工况下DC-DC变换器的电气性能，基于实际汽车在冷启动或其他可能导致电压骤降的情况下的电池性能数据，确定电压骤降的幅度、持续时间和恢复速率等关键参数。然后根据定义的参数设置电压骤降的测试波形。确保波形能够准确地反映实际工况，包括电压下降的斜率和恢复的斜率。电压跳变输入波形如图2所示，其参数见表1。

2.2 高压纹波测试方法

首先获得在整车工况下采集的纹波电压数据，采集位置位于DC-DC变换器前端。对收集到的数据进行分析，确定纹波的幅度、频率和波形特性。在测试设备的控制软件中，根据分析得到的纹波特性，设置电压和纹波的参数，从而确保这些参数能够真实反映整车运行中的电压条件。最后通过纹波耦合网络在输入端引入模拟的纹波，确保纹波能够有效地耦合到DC-DC变换器的输入端。通过以上步骤，可以确保高压纹波抗干扰性测试能够准确地模拟整车上的实际情况，从而评估并提高DC-DC变换器在复杂电气环境中的可靠性和稳定性。纹波输入波形如图3所示，具体参数见表2。

将上述测试波形输入至台架的纹波发生器中，如图4所示。

2.3 测试平台

根据上述试验评价方法搭建如图5所示的DC-DC测试平台，来模拟样件在实际应用条件下的电气性能。

其中高压电性能测试系统的设计和配置对于电动汽车中关键电子组件的测试至关重要，特别是在模拟和评估组件在真实车辆环境下的性能表现方面。该系统由数个关键部件组成，每个部件都具有特定的功能，确保能够精确模拟和测试电动汽车高压电子系统的性能。

Netwave67.3可编程直流高压电源是系统的核心部分，具备高达67.3kW的功率输出。该电源具有串联模式和并联模式两种工作模式。在串联模式下，电源能够提供高达 ±1120V的电压和150A的电流，适用于需要高电压测试的应用。并联模式则支持±560V的电压和250A的电流，更适合高电流需求的测试场景。电源的电压变化斜率最大能达到8V/μs，这使得它能够精确模拟实际驾驶中的电压波动，从而对电子组件进行全面的动态测试。

纹波发生器和纹波耦合网络是系统中专门用于进行纹波抗扰性测试的设备。纹波发生器具有1kW的功率，能够根据预设的参数生成交流纹波，模拟车辆运行中可能遇到的各种电压干扰波形。纹波耦合网络则拥有200kW的功率，通过空间耦合的方式将纹波施加到被测样品的正极回路上，这种方法可以有效地测试样品对纹波干扰的抗性能。

这套系统不仅可以用于标准的电性能测试，也极大地帮助研发团队在产品开发阶段验证和优化电动汽车电子组件的抗干扰能力和整体电气性能。通过使用高级的测试设备如Netwave67.3和纹波发生器，研发团队能够在控制条件下复现和解决可能在实际运行中出现的电气问题，从而提高产品的可靠性和安全性。高压电性能测试系统结构如图6所示，高压电性能测试台架如图7所示。

3 试验结果分析

在本次试验中，测试的样品为轻度混合动力汽车所用的48V DC-DC变换器。试验过程中，采用高精度示波器对DC-DC变换器的输入和输出端的电气参数进行了详细采集。电压骤降试验结果如图8所示，其中，CH1通道记录了DC-DC变换器的输入端电压，CH2通道记录了输入端电流，CH3通道则显示了输出端电压，而CH4通道记录了输出端电流。通过对这4个通道的波形数据进行综合分析，可以深入理解DC-DC变换器在实际工作中的电气性能及其稳定性。此分析帮助评估了变换器在模拟车辆操作条件下的响应和效率。

3.1 电压骤降试验结果分析

图8试验结果表明，在DC-DC变换器处于额定工作状态时，从高压电源接收48V的输入电压，并通过降压模块将电压降至14V，同时在恒流模式下提供200A的输出电流。然而，当输入电压突然下降至24V时，观察到DC-DC输出电流经历了短暂的波动后停止输出;随后当输入电压瞬间恢复至48V时，输出电压不仅回升，还过冲至16.5V，并伴随短暂波动，同时输出电流也过冲至260A，并在150～250A之间波动。

这一现象揭示了DC-DC变换器在遭遇瞬态电压波动时的电气行为特性，特别是在实际车辆行驶中常见的急加速与急减速等工况下，整车高压系统内的电压波动可能严重影响DC-DC变换器的降压调制性能。这种电压的快速变化引起的电流过冲，不仅影响系统的即时性能，更可能对DC-DC变换器的长期稳定性和寿命造成负面影响。

因此，在设计和研发阶段，工程师必须充分考虑到这种瞬态电压变化对整车高压电子系统，尤其是对DC-DC变换器等关键系统级部件的电气安全和功能稳定性的潜在影响。此外，应通过仿真和实际车辆测试来验证和优化DC-DC变换器的设计，以确保其在面对极端电压波动时能够维持性能稳定，并最大限度地减少对整体系统安全的潜在威胁。

3.2 高压纹波试验结果分析

在本次试验中，DC-DC变换器在受到不同频率的纹波干扰时的电气性能被详细测试和分析。试验结果（图9）显示，当UPP设置为3V时，随着高压电性能测试系统在低频段对DC-DC变换器输入端施加纹波干扰，输入端的电压和电流显示出明显波动，而输出端的电压和电流波形保持相对平稳。然而，随着干扰频率的增加，观察到输出端的电压和电流开始出现抖动，抖动的幅度随着频率的进一步增加而加剧。

特别是当干扰频率达到576.7Hz时，输出端的电压和电流波动达到了极值，示波器记录显示，输出电流降至约20A。继续增加干扰频率至576.7～1000Hz范围内，DC-DC变换器输出端的电压和电流波动逐渐趋于平稳。这一现象表明，DC-DC变换器在特定频率下与输入的干扰纹波产生共振（谐振），导致电气性能的剧烈波动，严重时可能会导致设备停止工作。

DC-DC变换器的这种行为可归因于其内部的电容、电感和电阻等元件所具有的固有电气特性。这些元件在受到外部电磁干扰的影响下，可能会在其自然频率附近产生振荡。当外部施加的纹波频率接近或达到这些元件的自然振荡频率时，系统便进入谐振状态，引发输出端的电压和电流剧烈波动。如果干扰频率未达到该振荡频率范围，则输入端的干扰不足以引起输出端性能的显著影响。

由此可见，在DC-DC变换器的设计和开发阶段，进行纹波干扰测试至关重要。此类测试不仅有助于识别设备在哪些频率点上最为敏感，还能指导工程师优化设计以抑制在这些谐振频点上的振荡幅度，从而增强设备在实际运行中的稳定性和可靠性。因此，推荐在DC-DC变换器的研发过程中系统地评估其在不同干扰频率下的响应，以避免未来实车运行中因谐振引起的设备损坏或性能下降。

3.3 纹波干扰的改善与验证

依据章节1.3中对DC-DC抗干扰特性参数的分析，提出一个简易方法来实现对此变换器谐振点附近纹波的改善，并进行再次试验验证。

在DC-DC变换器中，增加输入端的电容可以提高系统的抗纹波干扰能力，因为电容可以吸收电压的快速变化，减少纹波传递到后续电路。这种方法通常用于改善电源的瞬态响应和抑制高频噪声。已知DC-DC变换器的谐振频率和电感电容值，可以通过调整输入端的电容来优化抗扰能力。谐振频率通常与电路的电感和电容有关，可以通过以下公式计算：

式中：f0——谐振频率;L——电感值;C——电容值。

根据章节1.1中公式可以估算出电感L和谐振的电容值C。如果想要在输入端增加电容以改善抗扰能力，可以选择一个电容值，使得与现有电感L组合的电路在所需的频率范围内工作，从而吸收不希望的纹波。假设在输入端增加一个额外的电容Cadd，以改变系统的谐振频率或吸收特定频率的纹波，可以通过以下方式计算：

首先确定目标频率，即fripple=576Hz，然后使用目标纹波频率和已知电感值L来计算新的电容值Cadd，使得新的谐振频率高于或等于目标纹波频率。

由于DC-DC变换器中已经有电容，需要考虑增加的电容值与现有电容值的并联效果。总电容Ctotal为：

通过计算得出Cadd=1.2μF，在输入端布置此电容后重复纹波测试，发现在规定频率范围内，样品输出端电流无明显降额或波动现象发生，从而验证了此方法的有效性。

4 总结

本研究通过对轻度混合动力汽车用48V DC-DC变换器进行一系列高压电性能试验，深入探讨了DC-DC变换器在各种电压干扰条件下的响应与稳定性。试验结果揭示了在电压波动及纹波干扰下，DC-DC变换器的电气性能表现，特别是在面临瞬态电压变化时的敏感性。本研究不仅验证了DC-DC变换器在标准运行条件下的性能，而且进一步分析了在极端条件下的行为特征，为电动汽车的电气系统设计提供了重要的科学依据。

在电压骤降试验中，当输入电压从48V突然下降至24V时，DC-DC变换器的输出电流显示短暂波动后迅速停止，这表明DC-DC变换器对输入电压的突变极为敏感。此外，当输入电压快速恢复至48V时，观察到输出电压和电流不仅迅速回升，还出现过冲现象，这可能导致连接的电子设备经历电压冲击，从而影响其性能和寿命。这种现象强调了在DC-DC变换器设计时需要加强对电压稳定性和抗干扰能力的考量。

纹波干扰试验进一步展示了在低频到高频不同干扰条件下，DC-DC变换器的抗干扰性能。特别是在576.7Hz频率下，输出电流降至20A左右，表明了频率对DC-DC变换器性能的影响。此外，当纹波频率超出某个阈值时，DC-DC变换器的输出电压和电流波动逐渐稳定。而在增加电容后的重复试验更是揭示了其内部元件可以通过设计优化来提高整体的抗干扰能力。

综上所述，本研究通过系统的试验方法和详细的数据分析，不仅增强了对DC-DC变换器在实车应用中性能的理解，而且为改善其设计提供了实证依据。研究建议在DC-DC变换器的开发初期进行全面的电压稳定性和抗干扰测试，以确保电动汽车在不同驾驶条件下的安全性和可靠性。此外，研究还强调了在电动汽车设计中，应充分考虑电气系统的综合性能，以适应日益复杂的汽车电子环境。

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