AC/DC DC/DC變換器在新能源汽車上的應用

何謂ACAlternating Current(交流)的首字母縮寫。AC是大小和極性(方向)隨時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)被稱為頻率，以Hz為單位表示。

何謂DCDirect Current(直流)的首字母縮寫。

DC是極性(方向)不隨時間變化的電流。

①流動極性(方向)和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。

②流動極性不隨時間變化，但大小隨時間變化的電流也是DC，

通常被稱為紋波電流 (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?那是因為家庭住宅和樓房接收到的電壓是100V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，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、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動的產(chǎn)品，但電機與微控制器的控制電路連在一起，燈泡也變成節(jié)能LED，因此有必要進行ACDC轉(zhuǎn)換。

為什么傳輸?shù)氖茿C電壓?可能有人會認為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開始就傳輸DC?”

總所周知，電力來自水力發(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。

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

然而，在實際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過幾個變電站分階段進行變壓(降壓)，最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡單，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進行整流。

全波整流是通過二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負電壓成分轉(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二極管來消除輸入負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平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。

因此可以說，與不利用輸入負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關方式。

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變壓器將交流電壓降壓到適當?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定。

接下來，通過二極管橋式整流器對經(jīng)過變壓器降壓的交流電壓進行全波整流，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。

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)(Electric Drive System)是新能源汽車(如電動汽車、插電式混合動力汽車等)的核心動力系統(tǒng)，負責將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動車輛行駛。該系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、整車控制器(VCU)及電機控制器(MCU)等關鍵組件。

新能源汽車三電系統(tǒng)

1、新能源汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)汽車驅(qū)動車輛是依靠內(nèi)燃機做功，通過變速器改變輸出動力的傳動比旋轉(zhuǎn)方向，再通過傳動軸和車輪實現(xiàn)車輛驅(qū)動。而純電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機和變速器，依靠動力電池、逆變器和電機變速單元實現(xiàn)車輛的驅(qū)動。

電驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車核心系統(tǒng)之一，其性能決定了爬坡能力、加速能力以及最高車速等汽車行駛的主要性能指標。無論是BEV(純電動汽車)、HEV/PHEV(串并聯(lián)結(jié)構(gòu))和燃料電池汽車均需要電驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動車輛。

新能源汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)

新能源汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)其主要由發(fā)電機/電動機、逆變器、升壓型DC/DC、動力電源、輔助電源、動力電源ECU和HV ECU等構(gòu)成。各個元件作用不同，所需功率等級、電壓高低、電流大小、安全可靠性、電磁兼容性的指標不同，并且對電源的種類直流/交流有要求。電動汽車電子設備的這些要求主要通過功率變換器﹣﹣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 混合動力汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)

以豐田公司PRIUS混合動力汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)為例，該混合動力汽車采用兩種直流電源：高壓動力200V直流電源：用于儲存發(fā)電機電能，為車輛電驅(qū)動裝置提供能量;低壓電源：主要為隨車負載提供電能。

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

逆變器(DC/AC)：PRIUS 混合動力汽車電驅(qū)動和發(fā)電系統(tǒng)均采用500V交流電，對電動機供電時要將200V直流電升壓到500V交流電用于驅(qū)動電動機。

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

功率變換器在汽車上的應用

2、直流變換器DC/DC

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

在電動汽車的電子系統(tǒng)或設備中，系統(tǒng)中的直流總線不可能滿足性能各異、種類繁多的元器件對直流電源的電壓等級、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，來滿足電子系統(tǒng)的各種要求。

DC/DC變換器在新能源汽車上的的應用

電動汽車的DC/DC變換器的主要功能是給車燈、ECU、小型電器等汽車附屬設備提供電力和向輔助電源充電，其作用與傳統(tǒng)汽車交流發(fā)電機相似。

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變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過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，改變開關管導通時間即可改變U0;

脈沖頻率調(diào)制(PFM)：保持開關管導通時間t0不變，改變開關周期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開關閉合時在電感器中儲能，并產(chǎn)生電流。當開關斷開時，貯存的電感器能量通過二極管輸出給負載。輸出電壓值與占空比(開關開啟時間與整個開關周期之間的比)有關。

(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型相同，升壓型DC/DC輸出電壓的高低與開關K的工作周期大小，以及每個周期中開關導通時間ton和斷開時間toff的長短有關。

(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關型IGBT1，用于升壓的開關型IGBT2，續(xù)流二極管VD1和VD2、感性濾波元件和容性濾波元件。該變換器也被稱為兩象限雙向斷路器，兩端分別與動力電池和其他設備連接。升降壓型雙向DC/DC變換器的原理是通過控制周期性地流過感應器電流的時間，來實現(xiàn)想要得到的輸出和輸入電流之間的關系。