電動汽車中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種機(jī)電設(shè)備或電路，用于根據(jù)電路要求將直流電壓從一個電平轉(zhuǎn)換為另一個電平。DC-DC 轉(zhuǎn)換器屬于電力轉(zhuǎn)換器系列，可用于電池等小電壓應(yīng)用或高壓電力傳輸?shù)雀唠妷簯?yīng)用。

當(dāng)沒有半導(dǎo)體時，將直流電壓轉(zhuǎn)換為低功率項(xiàng)目所需的高電壓的常用技術(shù)是通過振動器電路將其轉(zhuǎn)換為交流電壓。然后，使用升壓變壓器來增加輸出電壓水平，再使用整流器電路進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換。對于需要高功率的應(yīng)用，采用電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的組合。電動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，提供所需的負(fù)載電壓。這些技術(shù)成本高昂且效率低下，但由于當(dāng)時沒有替代方法，因此被采用。

功率半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)明帶來了各種較便宜的解決方案，例如直流電源，其中高頻交流電輸入變壓器。這種設(shè)備成本較低且易于操作。它改變電壓，然后通過整流器再次轉(zhuǎn)換為直流電。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)技術(shù)通常用于轉(zhuǎn)換器的操作。開關(guān)操作的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器根據(jù)應(yīng)用需求將直流電壓從一個電平轉(zhuǎn)換為另一個電平;因此輸出電壓可以高于或低于輸入值。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換器會存儲一段時間的能量，并以不同的電平提供輸出。能量以磁場的形式存儲在導(dǎo)體變壓器中，以電場的形式存儲在電容器中。開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換比線性電壓轉(zhuǎn)換更容易處理，更節(jié)能，因?yàn)榫€性電壓轉(zhuǎn)換會將功率以熱量的形式耗散。需要具有快速上升和下降時間的高速半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)效率。高速開關(guān)需要精確的布局，這使得電路創(chuàng)建變得困難。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的高效率減少了對散熱器的需求并延長了電池使用壽命。使用 FET 可提高轉(zhuǎn)換器效率，因?yàn)檫@些設(shè)備可以高效地執(zhí)行開關(guān)過程，并且損耗比 BJT 更少。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的其他改進(jìn)包括用同步整流電路替換反激二極管，該同步整流電路帶有電阻更小且可減少開關(guān)過程中損耗的功率 FET。

大多數(shù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計目的是將功率流引導(dǎo)到一個方向，從輸入到輸出。但是，所有開關(guān)穩(wěn)壓器電路都可以是雙向的，通過替換所有二極管控制的有源整流器電路，可以向任何方向傳輸功率。雙向轉(zhuǎn)換器適用于車輛再生制動等應(yīng)用，在車輛行駛過程中將功率提供給車輪，在制動過程中接收功率。

與所有高頻電路一樣，必須采取一些措施來創(chuàng)建 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，例如組件選擇、連接以及必須將開關(guān)噪聲設(shè)置在可接受的水平。最初，創(chuàng)建成本高于線性穩(wěn)壓器，但后來由于使用最新的電路創(chuàng)建技術(shù)而降低。

如今，DC-DC 轉(zhuǎn)換器基于 IC，需要一些額外元件。它們還存在于多種電子結(jié)構(gòu)中使用的混合配置中。

DC-DC轉(zhuǎn)換器特性

這里描述了轉(zhuǎn)換器的主要特性。

目前評級

它是轉(zhuǎn)換器能夠向負(fù)載提供的電流的最高值。

溫度等級

這是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在滿載工作時必須承受的最高溫度值。工作溫度必須按照額定值設(shè)置，否則轉(zhuǎn)換器可能損壞和過熱。

紋波電壓

此值定義轉(zhuǎn)換器輸出端的紋波電壓。操作時必須注意這些額定值。

額定電壓

DC-DC轉(zhuǎn)換器帶有一些限制，這些限制決定了轉(zhuǎn)換器的電壓變換能力。

轉(zhuǎn)換器尺寸和重量

由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在較高頻率下工作，因此可以設(shè)計成占用空間較小的轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)換器的設(shè)計過程中，必須在電路尺寸和效率之間找到一個折衷點(diǎn)。

電動汽車用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

我們周圍行駛的各種類型的車輛會產(chǎn)生空氣污染、全球變暖和地球資源枯竭。為了解決這些問題，一種解決方案是用電動汽車取代傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車。電動和混合動力汽車使用兩種類型的儲能裝置。第一種是 MES(多功能儲能)，用于存儲高能量，而第二種是可充電儲能系統(tǒng) (RESS)，可提供高功率能力和可逆性。MES 提供高行駛里程，RESS 具有良好的再生制動和加速系統(tǒng)。儲能裝置根據(jù)負(fù)載改變輸出電壓，直流鏈路的高電壓在配置具有牽引驅(qū)動的儲能組件時給車輛工程師帶來了問題。DC-DC 轉(zhuǎn)換器可用于連接電動動力系統(tǒng)中的組件。

汽車轉(zhuǎn)換器必須輕便、小巧、可靠、高效、并且產(chǎn)生低電磁干擾。

電動汽車 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的類型

在圖 2 中，我們可以看到電動汽車中使用的不同類型的轉(zhuǎn)換器。它顯示了至少一個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器如何將 DC 鏈路與燃料電池或超級電容器模塊連接起來。電動汽車有不同的能源，如燃料電池和電池超級電容器。在電動汽車中，使用一個或多個儲能設(shè)備。這降低了總體成本和體積，并提供了良好的操作。常用的儲能裝置是電池和超級電容器。這些設(shè)備配置了不同配置的燃料電池堆。正常配置是兩個模塊并聯(lián)組合的直接連接：燃料電池或電池、燃料電池或超級電容器、或電池或超級電容器。在這種方法中，功率不是用于控制，而是可以通過組件阻抗值來測量。阻抗取決于不同的參數(shù)，例如效率和設(shè)備健康狀況。電壓參數(shù)也與兩個組件的規(guī)格相匹配。這是燃料電池/電池組合的情況，由于電池的電壓是固定的，因此燃料電池在整個時間內(nèi)必須具有相同的功率。在電池或超級電容器組合的情況下，只能使用電容器的非常小的能量交換特性。這全都與電池電壓的恒定值有關(guān)。可以選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓，并可以調(diào)節(jié)每個設(shè)備的功率。由于電池電壓固定，因此燃料電池必須在整個時間內(nèi)具有相同的功率。在電池或超級電容器組合的情況下，只能使用電容器的非常小的能量交換特性。這完全取決于電池電壓的恒定值?？梢赃x擇DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓，并可以調(diào)節(jié)每個設(shè)備的功率。由于電池電壓固定，因此燃料電池必須在整個時間內(nèi)具有相同的功率。在電池或超級電容器組合的情況下，只能使用電容器的非常小的能量交換特性。這完全取決于電池電壓的恒定值?？梢赃x擇DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓，并可以調(diào)節(jié)每個設(shè)備的功率。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種將能量進(jìn)行不同程度的轉(zhuǎn)換，并將能量儲存在磁場和電場中的電源轉(zhuǎn)換電路。這里將討論應(yīng)用于電動汽車的不同類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

非隔離轉(zhuǎn)換器

非隔離轉(zhuǎn)換器用于電壓以 4:1 的比例增加或減少的應(yīng)用。這樣，輸出和輸入就沒有電介質(zhì)隔離。非隔離轉(zhuǎn)換器還有子類型：電荷泵、降壓、Cuk、降壓-升壓、降壓和升壓。降壓用于電壓降低，升壓用于電壓增加或升壓。降壓-升壓和 Cuk 轉(zhuǎn)換器用于電壓增加和減少。電荷泵轉(zhuǎn)換器用于電壓升壓和電壓反轉(zhuǎn)，是一些項(xiàng)目的一部分。

磁性轉(zhuǎn)換器

DC-DC轉(zhuǎn)換器定期儲存能量，并將其作為頻率值為三百千赫茲至十千兆赫茲的電感器或變壓器中的磁場釋放。通過穩(wěn)定性，可以控制傳輸負(fù)載所需的電量的充電占空比。

借助該控制，可以控制輸入和輸出電流，并維持電路中的恒定功率。具有變壓器的轉(zhuǎn)換器可以提供輸入和輸出之間的操作。

隔離轉(zhuǎn)換器

在這些轉(zhuǎn)換器中，使用高頻變壓器。對于輸出與輸入完全分離的應(yīng)用，使用此轉(zhuǎn)換器。有不同類型的隔離轉(zhuǎn)換器，例如半橋、全橋、飛橋正向和推挽式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器可用作雙向轉(zhuǎn)換器。

EV DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性

對于接口，燃料電池 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可提高燃料電池電壓并調(diào)節(jié) DC 鏈路電壓。雖然可逆 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是連接超級電容器所必需的。有不同類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，具有某些設(shè)計和應(yīng)用的功能。但就車輛而言，需要考慮以下幾點(diǎn)

· 車輛使用的轉(zhuǎn)換器效率必須高

· 轉(zhuǎn)換器必須體積小、重量輕

· 電磁干擾較少

· 燃料電池產(chǎn)生的紋波較少

· 該功能必須提供電壓升高或升壓功能

· 轉(zhuǎn)換器功率流的調(diào)節(jié)提供了轉(zhuǎn)換器輸入端的不同電壓變化

每種轉(zhuǎn)換器類型都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器不遵循電氣隔離。輸入和輸出幅度的大幅變化會對開關(guān)造成壓力，并且該電路會受到高電流和電壓紋波的影響，并且還面臨高重量問題。

簡單的多通道轉(zhuǎn)換器有助于減少輸入和輸出電流和電壓紋波，從而增加電路的重量并提高效率。該電路不適用于高電壓升壓比，因?yàn)檎伎毡仁茈娐纷杩瓜拗疲瑢?dǎo)致最高升壓比約為 4。因此，需要兩個串聯(lián)配置的升壓轉(zhuǎn)換器來為項(xiàng)目獲得一定的電壓增益。全橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器用于需要電氣隔離的應(yīng)用。全橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器適用于高功率傳輸，因?yàn)殡妷汉碗娏髦递^低。它在輸入和輸出端面臨較小的電壓和電流紋波。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

· 轉(zhuǎn)換器的使用簡化了電源電路

· 轉(zhuǎn)換器的使用減少了電路和項(xiàng)目中電池的空間

· 它提供負(fù)極和正極的有組織的輸出

· 直流控制電路使用此設(shè)備，電壓調(diào)節(jié)器使用此模塊

· 它采用混合電路，所有電路元件都位于一個結(jié)構(gòu)或外殼中

· 在需要時有助于延長電壓

· 該設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供電路輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的隔離。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)

· 這些轉(zhuǎn)換器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生噪音

· 它具有較高的紋波電流和較高的黃土和較高的輸入和輸出電容值

· 轉(zhuǎn)換器的電路很昂貴

· 這些電路提供不穩(wěn)定的電壓和電流供應(yīng)。

結(jié)論

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種電子設(shè)備，可根據(jù)電路和項(xiàng)目要求將直流電壓轉(zhuǎn)換為其他電壓水平(更高或更低)。它是電源的基本組成部分，可改變電壓值以運(yùn)行需要低或高直流電壓的不同應(yīng)用。它是電動汽車的主要部件，電動汽車由提供高直流電壓的電池組成。由于電動汽車組件在不同的電壓水平(高或低)下運(yùn)行，因此使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來維持這些組件的電壓值。DC-DC 轉(zhuǎn)換器已成為電動汽車和其他在不同直流水平下運(yùn)行的電子項(xiàng)目的重要組成部分。