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电动汽车上会用哪些DC/DC?

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电动汽车(EV)上安装了大型高电压的锂离子电池和发动机车辆上也使用的低电压铅酸电池。两种电池都需要充电,锂离子电池需要在充电站上充电,铅酸电池需要从锂离子电池充电。此时,将一定的直流电转换为不同直流电的设备就是DC/DC转换器。我们将就DC/DC转换器的功能和系统构成进行解说。


什么是DC/DC转换器?



DC/DC转换器的概要

EV的所有设备都依靠电来工作。行车用马达等依靠大型/高电压的锂离子电池的电力来工作,其他大量车载设备(ECU、摄像头、车灯等)依靠低电压的铅酸电池的电力来工作。铅酸电池如果不充电就会没电,所以需要从锂离子电池充电。其中将高电压直流电转换为低电压直流电的设备就是DC/DC转换器。通过转换为低电压,EV的各种车载设备就能在适当的电压下工作。

高电压和低电压的区别使用


- 高电压的用途

为了使行车用马达工作,需要高电压。因为马达需要大功率,如果试图让它在低电压下工作则会产生大电流,并导致电路内的损耗增加,转换效率变差。为了提高效率,需要使用高电压(400V以上)来抑制电流。

- 低电压的用途

低电压用于与行车马达相关的设备以外的设备(车内的各种设备和前灯等)。此外,即使是高电压的设备,其内部的控制电路也在低电压下工作。因此,从高电压转换为低电压的DC/DC转换器是必不可少的。

为什么低电压是12V

早期的汽车以手动方式启动发动机,后来开发出了利用起动马达启动的机构。为了驱动该起动马达,安装了铅酸电池。现在,轿车上使用的是由6个铅酸电池单体组合而成的12V的电池组(各电池单体约为2.1V)。但是,卡车上发动机的起动马达采用了大型马达,因此通常使用24V的电池组(12V电池×2个)。

关于市场和设备的趋势



今后,随着EV车辆数量的增加,DC/DC转换器的数量也将增加。而且,由于各种设备的电动化,也需要支持高功率化。另外,对于DC/DC转换器还进一步提出了高输出化和小型化的要求。为实现这个目标,电子零部件具备高电压(高耐电压)、大电流、低损耗、高耐热性、小型化、高精度等性能就显得尤为重要。

关于DC/DC转换器的电路构成

总体构成


- 电压检测(输入侧):测量来自锂离子电池的输入电压
- 噪声滤波器(输入侧):使用电容器和线圈去除噪声
- 电压转换电路:通过藉由绝缘型变压器和FET等的开关来转换电压
- 噪声滤波器(输出侧):使用电容器和线圈来去除噪声
- 电压检测(输出侧):测量输出电压
- 控制电路:控制转换电路等
- DC/DC转换器:向控制电路供给电源
- 通信电路:与外部的通信电路

图1 DC/DC转换器的总体构成

个别电路及构成零部件


电压测量(输入/输出)

在电压测量的电路中,为了控制电压转换电路,测量输入和输出的电压。测量时通常将多个电阻器连接起来以测量电阻器两端的电压。

噪声滤波器(输入/输出)

在噪声滤波器电路中,抑制来自外部或来自该电路的噪声,以防止电路误工作。滤波器组合使用大型电感器以及薄膜电容器或导电性聚合物混合铝电解电容器。

电压转换电路
在电压转换电路中,通过使用开关元件和变压器等的开关来进行电压的转换。通过令开关元件On/Off来执行转换操作,但由于元件On/Off时会产生噪声,因此通常在元件栅极端子上使用电阻器来抑制噪声。

DC/DC转换器

在DC/DC转换器电路中,为了去除输入部的噪声和使得输出部平滑,通常使用导电性聚合物混合铝电解电容器,为了进行电压转换,通常使用车载用功率电感器。

通信 I/F

在通信I/F(通信)电路中,使用两根线与外部设备(CAN、Ethernet等)进行通信。此时,如果噪声或静电从通信线混入,则可能会导致收发器IC故障。因此,收发器电路中作为静电预防措施使用片式压敏电阻器。

小结


EV上,马达以外的大多数车载设备都是在比车辆主电源电压低得多的电压下工作的。其中将锂离子电池输出的高电压直流电转换为低电压直流电的设备就是DC/DC转换器。今后,随着EV的增加,DC/DC转换器的安装数量也会增加。

此外,随着各种设备的电动化和高功率化,还需要追求DC/DC转换器的高输出化。今后,人们将会对车载电子零部件提出高电压(高耐电压)、大电流、低损耗、高耐热、小型化等更高的性能要求。


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来源:电力电子技术与新能源
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首次发布时间:2025-02-25
最近编辑:2小时前
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DC-DC电感值计算

引言:DC-DC的电感值通常我们很少计算,会直接选择手册里面推荐的值,这在通常场景下快速展开设计和选型没有问题,但是当有特别的电源需求时,就需要自己手动计算电感并选型,才能满足我们的设计指标,本节以降压DC-DC为例讲解如何计算并选择电感。PART 01 降压DC-DC的运转环路 图15-1:Q1导通时的电流环路 如图15-1是在降压型DC-DC中,当开关器件Q1导通时,电流从Vin通过电感L给输出平滑电容Cout充电,并提供输出电流Iout。此时电感L上流过的电流会产生磁场,以此将电能变换成磁能并储存起来。 图15-2:Q2关断时的电流环路 如图15-2,当开关器件Q1关断时,续流二极管Q2导通,电感L里储存的能量向输出侧释放。在Q1导通阶段Cout已经储满电量,Q刚进入关断时,电感L反向电动势维持输出电流Iout,而后电感能量减弱,Cout就会开始参与放电维持Iout,注意看电容蓝色电流虚线。 PART 02 电感的电流波形 图15-3:流经电感L的电流波形 如图15-3是流经电感L的电流波形,Iout是电感电流的平均值。图15-1里开关器件Q1导通时电感L流过的电流,Q1导通ON的时间Ton,电感L上施加的电压VL(ON)用下式来表示: 其中VIN:输入电压;VSW:Q1导通时的压降;VOUT:输出电压 本身具有电感成分的电感L的电压VL和电流IL的关系用下式表示: 由公式(2)可以判断出给电感施加一定的电压,电压和反向电流会按照V/L的斜率增加,ILT是开关器件Q1在导通之前瞬间的电流,ILP是开关器件Q1在关断之前瞬间的电流。Ton时间段中电感流过的电流变化量可以根据公式(1)和公式(2)表示为下面公式。 接着我们来求开关器件Q1在OFF时电感L流过的电流,Q1在OFF时,电感L上应加的电压VL(OFF)根据图15-2可以表示为下面公式: 其中VD:Q2的正向压降;VOUT:输出电压 通过公式(2)和公式(4),可以计算OFF时器件电感L的电流变化量 因为电感L流过电流的电荷量与输出电流的电荷量基本相等(伏秒定律),所以下面公式成立: 用公式(3)和公式(6)可以求出ON时器件的ILP: 用公式(5)和公式(6)可以求出OFF时器件的ILP,下面公式成立: PART 03 On duty的计算 On Duty是相对于开关振荡周期Tsw,开关器件的导通时间的比率。用下面公式表示: 从公式(7)、(8)、(9)可以求出D,如下面公式: 对于公式(10),如果忽略开关器件Q1的压降VSW和二极管Q2的压降,可以得到On Duty由输入电压和输出电压的比来决定: PART 04 线圈电流的最大值 由公式(9)和公式(10)可以算出Ton如下式: 把公式(12)代入到公式(7),可以得到电感L的电流最大值ILP如下式: 把公式(13)代入到公式(6),可以得到电感L的电流最小值ILT如下式: 电流的变化量 (ILP-ILT) 如下式: 由公式(13)和公式(15)可以推出最大电流和电流变化量随着电感L的增大、开关频率提高,电流值会减小。 PART 05 电感值的计算 流过电感L电流的变化量 (ILP-ILT) 和输出电流Iout的比是电流纹波比R 把公式(15)代入到公式(16) 由公式(17)求出的电感L值的公式如下: 当输出电压VOUT很高的时候,公式可以简化如下: 要缩小R的话,增大电感,抑制ΔIL就可以了,但是电感器变大,变得不实用,所以降压型转换器通常设定在0.2~0.5的范围内。 PART 06 线圈能流过的最大电流 电感能流过的最大电流可以用下式求得: 电感流过的电流是输出电流+纹波电流。输出短路等故障发生时,负载过渡状态中,没有软启动功能的IC在电源上升时,有时电感电流会超过上述计算的最大电流。在过渡状态下,电感电流可能会增加到IC的开关电流限制值。因此,最安全的方法不是按照大于电感电流最大值选择电感,而是选择额定饱和电流大于开关电流限制值的电感。 PART 07 线圈流过的有效电流 三角波的有效值如下式表示: 把公式(13)和公式(14)代入公式(20)可以得到下列公式: PART 08 电感计算实例 首先列出降压型转换器的动作条件 - 输入电压:VIN=12V - 输出电压:VOUT=3.3V - 输出电流:Iout=2A - 输出电流纹波比:R=0.3 - 开关器件 Q1 导通时的压降:VSW=0.30 - 续流二极管Q2的正向压降:VD=0.26,同步整流的时候,按照下管开关器件Q2在导通时的压降进行计算。 - 开关频率:fsw=380kHz 代入公式(18-1)和公式(18-2),求电感的感量,由公式(18-1)得: 由公式(18-2)得: 由公式(19)计算电感的最大电流: 由公式(20)计算电感的额定有效电流: 在设计的时候,选择满足计算值的电感,选择最接近的标准值10µH。选择的电感值和计算值有差异的时候,用公式(17)计算电流纹波值R,把这个值代入公式(19),再次计算线圈的最大电流: 说明:本文来源网络;文中观点仅供分享交流,不代表本公众 号立场,转载请注明出处,如涉及版权等问题,请您告知,我们将及时处理。来源:电力电子技术与新能源

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