AC/DC DC/DC變換器在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用

何謂ACAlternating Current(交流)的首字母縮寫(xiě)。AC是大小和極性(方向)隨時(shí)間呈周期性變化的電流。電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱(chēng)為頻率，以Hz為單位表示。

何謂DCDirect Current(直流)的首字母縮寫(xiě)。

DC是極性(方向)不隨時(shí)間變化的電流。

①流動(dòng)極性(方向)和大小皆不隨時(shí)間變化的電流通常被稱(chēng)為DC。

②流動(dòng)極性不隨時(shí)間變化，但大小隨時(shí)間變化的電流也是DC，

通常被稱(chēng)為紋波電流 (Ripple current)。

一、AC/DC轉(zhuǎn)換器何謂AC/DC轉(zhuǎn)換器?AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC(交流電壓)轉(zhuǎn)換成DC(直流電壓)的元件。

為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器?那是因?yàn)榧彝プ≌蜆欠拷邮盏降碾妷菏?00V或200V的AC電壓。

然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。

也就是說(shuō)，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，電器就不能工作。

其中也有電機(jī)、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，但電機(jī)與微控制器的控制電路連在一起，燈泡也變成節(jié)能LED，因此有必要進(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換。

為什么傳輸?shù)氖茿C電壓?可能有人會(huì)認(rèn)為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開(kāi)始就傳輸DC?”

總所周知，電力來(lái)自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區(qū)或沿海等地區(qū)，從這些地區(qū)傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)而言之，通過(guò)以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗(能量損耗)。

然而，在實(shí)際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過(guò)幾個(gè)變電站分階段進(jìn)行變壓(降壓)，最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進(jìn)入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡(jiǎn)單，所以傳輸?shù)氖茿C電壓。

全波整流和半波整流(AC/DC轉(zhuǎn)換)將AC(交流電壓)轉(zhuǎn)換為DC(直流電壓)的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來(lái)進(jìn)行整流。

全波整流是通過(guò)二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓(脈沖電壓)。而半波整流是使用一個(gè)二極管來(lái)消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓(脈沖電壓)。之后，利用電容器的充電和放電功能來(lái)平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。

因此可以說(shuō)，與不利用輸入負(fù)電壓成分的半波整流相比，全波整流是更具高效率的整流方法。

此外，平滑后的紋波電壓根據(jù)電容器容量和負(fù)載(LOAD)而變化。

全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負(fù)載條件下，全波整流的紋波電壓更小。紋波電壓越小，穩(wěn)定性越高、性能越優(yōu)。

AC/DC轉(zhuǎn)換方法AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式。

變壓器方式這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器方式電路結(jié)構(gòu)。

【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。

變壓器方法首先需要通過(guò)變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?例如，從AC100V降至AC10V等)。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換，降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。

接下來(lái)，通過(guò)二極管橋式整流器對(duì)經(jīng)過(guò)變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流，轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。

最后，經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法。

新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Electric Drive System)是新能源汽車(chē)(如電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)等)的核心動(dòng)力系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。該系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、整車(chē)控制器(VCU)及電機(jī)控制器(MCU)等關(guān)鍵組件。

新能源汽車(chē)三電系統(tǒng)

1、新能源汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛是依靠?jī)?nèi)燃機(jī)做功，通過(guò)變速器改變輸出動(dòng)力的傳動(dòng)比旋轉(zhuǎn)方向，再通過(guò)傳動(dòng)軸和車(chē)輪實(shí)現(xiàn)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)。而純電動(dòng)汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)和變速器，依靠動(dòng)力電池、逆變器和電機(jī)變速單元實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車(chē)核心系統(tǒng)之一，其性能決定了爬坡能力、加速能力以及最高車(chē)速等汽車(chē)行駛的主要性能指標(biāo)。無(wú)論是BEV(純電動(dòng)汽車(chē))、HEV/PHEV(串并聯(lián)結(jié)構(gòu))和燃料電池汽車(chē)均需要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

新能源汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

新能源汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其主要由發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、逆變器、升壓型DC/DC、動(dòng)力電源、輔助電源、動(dòng)力電源ECU和HV ECU等構(gòu)成。各個(gè)元件作用不同，所需功率等級(jí)、電壓高低、電流大小、安全可靠性、電磁兼容性的指標(biāo)不同，并且對(duì)電源的種類(lèi)直流/交流有要求。電動(dòng)汽車(chē)電子設(shè)備的這些要求主要通過(guò)功率變換器﹣﹣直流變換器DC/DC、交直流變換器AC/DC、直流交流變換器(逆變器)DC/AC等完成。

PRIUS 混合動(dòng)力汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

以豐田公司PRIUS混合動(dòng)力汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，該混合動(dòng)力汽車(chē)采用兩種直流電源：高壓動(dòng)力200V直流電源：用于儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)電能，為車(chē)輛電驅(qū)動(dòng)裝置提供能量;低壓電源：主要為隨車(chē)負(fù)載提供電能。

直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)：直流電壓200V降為車(chē)用12V或42V直流電源。

逆變器(DC/AC)：PRIUS 混合動(dòng)力汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)和發(fā)電系統(tǒng)均采用500V交流電，對(duì)電動(dòng)機(jī)供電時(shí)要將200V直流電升壓到500V交流電用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

整流降壓轉(zhuǎn)換器(AC/DC)：在發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池充電時(shí)，要將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的500V交流電轉(zhuǎn)換為200V直流電。

功率變換器在汽車(chē)上的應(yīng)用

2、直流變換器DC/DC

直流/直流變換器(DC/DC)是一種將直流基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妷悍N類(lèi)的直流變換裝置。

在電動(dòng)汽車(chē)的電子系統(tǒng)或設(shè)備中，系統(tǒng)中的直流總線不可能滿足性能各異、種類(lèi)繁多的元器件對(duì)直流電源的電壓等級(jí)、穩(wěn)定性的高要求，因而必須采用各種DC/DC變換器將寬范圍變化的直流電壓變換為穩(wěn)定性能良好的直流電，來(lái)滿足電子系統(tǒng)的各種要求。

DC/DC變換器在新能源汽車(chē)上的的應(yīng)用

電動(dòng)汽車(chē)的DC/DC變換器的主要功能是給車(chē)燈、ECU、小型電器等汽車(chē)附屬設(shè)備提供電力和向輔助電源充電，其作用與傳統(tǒng)汽車(chē)交流發(fā)電機(jī)相似。

DC/DC變換器有升壓變換器與降壓變換器之分，根據(jù)電壓調(diào)制方式又有脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制的區(qū)別。

(1)脈沖寬度調(diào)制PWM和脈沖頻率調(diào)制PFM

DC/DC變換器也稱(chēng)為斬波器，通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比改變輸出電壓的平均值。

脈寬調(diào)制(PWM)：保持周期T不變，改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間即可改變U0;

脈沖頻率調(diào)制(PFM)：保持開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間t0不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，同樣可以改變U0。

PWM和PFM方法是DC/DC最常用的兩種方法。

(2)降壓型轉(zhuǎn)換器(DC/DC)

降壓型轉(zhuǎn)換器(DC/DC)是利用MOSFET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，貯存的電感器能量通過(guò)二極管輸出給負(fù)載。輸出電壓值與占空比(開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間的比)有關(guān)。

(3)升壓型轉(zhuǎn)換器(DC/DC)

升壓型轉(zhuǎn)換器與降壓型轉(zhuǎn)換器所使用的組件類(lèi)型相同，升壓型DC/DC輸出電壓的高低與開(kāi)關(guān)K的工作周期大小，以及每個(gè)周期中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和斷開(kāi)時(shí)間toff的長(zhǎng)短有關(guān)。

(4)升降壓型雙向DC/DC變換器

升降壓雙向DC/DC變換器主要組成為用于降壓的開(kāi)關(guān)型IGBT1，用于升壓的開(kāi)關(guān)型IGBT2，續(xù)流二極管VD1和VD2、感性濾波元件和容性濾波元件。該變換器也被稱(chēng)為兩象限雙向斷路器，兩端分別與動(dòng)力電池和其他設(shè)備連接。升降壓型雙向DC/DC變換器的原理是通過(guò)控制周期性地流過(guò)感應(yīng)器電流的時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)想要得到的輸出和輸入電流之間的關(guān)系。