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DC-DC转换器及其在电动汽车中的应用

2023-05-08 17:00:42 Venkata Satya Kosuru 阅读:
DC-DC转换器是电动汽车(EV)的重要组成部分,可改变电压值以运行需要低或高直流电压的不同应用。

DC-DC转换器是一种机电设备或电路,用于根据电路要求将直流电压从一个电平转换为另一个电平。DC-DC转换器属于电力转换器系列,可用于电池等小电压应用,也可用于高压输电等高压应用。qCEednc

在没有半导体的时候,将直流电压转换为更高电压的低功率项目的常见技术是通过振动器电路将其转换为交流电压。然后,使用升压变压器来增加输出电压电平,接着用整流电路来进行直流转换。电动机和发电机的组合用于需要高功率的应用。电机驱动发电机,提供所需的负载电压。这些技术昂贵且效率低下,但由于当时不存在替代方法而被使用。qCEednc

功率半导体和集成电路(IC)的发明导致了不同的更便宜的解决方案,例如直流电源,其中高频交流电被输入到变压器。这种设备成本较低且易于操作。它改变了通过整流器再次转换为直流电的电压。qCEednc

DC-DC转换器的运行

开关技术通常用于转换器的运行。开关运行的DC-DC转换器根据应用需求将直流电压从一个电平转换到另一个电平;因此,输出电压可以高于或低于输入值。在转换过程中,转换器将能量存储一段时间并提供不同级别的输出。能量以磁场的形式储存在导体的变压器中,以电场的形式储存在电容器中。与线性电压转换相比,开关电压转换更易于处理且更节能,线性电压转换中功率以热量形式耗散。需要具有快速上升和下降时间的高速半导体器件来实现效率。高速开关需要精确的布局,这使得电路创建变得困难。开关模式转换器的高效率减少了对散热器的需求并延长了电池的使用寿命。使用场效应管(FET)可提高转换器效率,因为这些器件能够以比双极性晶体管(BJT)更少的损耗高效地执行开关过程。qCEednc

DC-DC转换器的其他改进包括使用带有功率FET的同步整流器电路替换反激二极管,该电路具有更小的电阻,并减少了开关期间的损耗。qCEednc

大多数DC-DC转换器都设计为在一个方向上引导功率流,从输入到输出。但是,所有的开关稳压器电路都可以是双向的,通过替换所有二极管控制的有源整流器电路,可以在任何方向上传输功率。双向转换器适用于车辆的再生制动等应用,在这种应用中,电力在行驶期间提供给车辆的车轮,在制动过程中接收电力。qCEednc

与所有高频电路一样,必须采取一些措施来创建DC-DC转换器,例如必须将元件的选择、连接和开关噪声设置在可接受的水平。最初,创建成本高于线性稳压器,但后来由于使用了最新的电路创建技术而降低了成本。qCEednc

如今,DC-DC转换器基于IC,需要一些额外的元件。它们还存在于多种电子结构使用的混合配置中。qCEednc

图1显示了不同类型的DC-DC转换器:降压、升压、降压-升压和Cuk电路。这些电路的输入位于左侧,而输出提供给右侧的负载。电源开关可以是MOSFET、IGBT或BJT。qCEednc

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图1:DC-DC转换器的类型(来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Commutation_cell_in_converters.svg)qCEednc

DC-DC转换器特性

此处描述了转换器的主要特性。qCEednc

额定电流

它是转换器可以提供给负载的最高电流值。qCEednc

额定温度

它是DC-DC转换器在满载运行时必须承受的最高温度值。必须根据额定值设置工作温度,否则转换器可能会损坏和过热。qCEednc

纹波电压

该值定义了转换器输出端的纹波电压。在操作过程中必须注意这些额定值。qCEednc

额定电压

DC-DC转换器有一些限制,这些限制定义了转换器的电压转换能力。qCEednc

转换器尺寸和重量

由于开关转换器可以在更高频率下工作,因此它们可以设计为成小尺寸。在转换器的设计过程中,应找到电路的尺寸和效率之间的折衷方案。qCEednc

用于电动汽车的DC-DC转换器

在我们周围行驶的许多不同类型的车辆会造成空气污染、全球变暖和地球资源的枯竭。要解决这些问题,一个解决方案是用电动汽车取代传统汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车和混合动力汽车使用两种类型的储能设备。第一个是MES(多功能储能器),用于存储高的能量,而第二个是可充电储能系统(RESS),可提供高功率和可逆性。MES提供高行驶里程,RESS具有良好的再生制动和加速系统。储能设备根据负载改变输出电压,而直流链路的高压会给车辆工程师在配置牵引驱动储能组件时带来问题。DC-DC转换器可用于连接电力传动系统中的组件。qCEednc

汽车转换器必须轻便、小巧、可靠、高效,并且产生的电磁干扰低。qCEednc

电动汽车用DC-DC转换器的种类

在图2中,我们可以看到电动汽车中使用的不同类型的转换器。它显示了至少一个DC-DC转换器如何将直流链路与燃料电池或超级电容器模块连接起来。电动汽车有不同的能源,如燃料电池和电池超级电容器。在EV中,使用一个或多个储能设备。这降低了总体成本和体积并提供了良好的运行。常用的储能设备是电池和超级电容器。这些设备配置有不同配置的燃料电池堆。正常配置是两个模块直接并联组合:燃料电池或蓄电池、燃料电池或超级电容器、以及蓄电池或超级电容器。在这种方法中,功率不用于控制,而是可以通过元件阻抗值来测量。阻抗取决于不同的参数,例如效率和设备健康状况。电压参数也与两个组件的规格相匹配。这是燃料电池/蓄电池组合的情况,由于蓄电池的固定电压,燃料电池在整个时间内必须具有相同的功率。在蓄电池或超级电容器组合的情况下,只能使用电容器的非常小的能量交换功能。这都是关于电池电压的恒定值。DC-DC转换器的输出电压可以选择,每个设备的功率都可以被调节。 qCEednc

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图2:EV的DC-DC转换器类型qCEednc

DC-DC转换器是一种电源转换电路,可以将能量进行不同程度的转换,并将能量储存在磁场和电场中。在这里,将讨论应用于EV的不同类型的DC-DC转换器。qCEednc

非隔离转换器

非隔离式转换器用于电压以4:1的比例升高或降低的应用。在这种情况下,输出和输入没有电介质隔离。非隔离式转换器也有子类型:电荷泵、降压、Cuk、降压-升压和升压。降压用于降低电压,升压用于电压提高或递升。降压-升压和Cuk转换器用于增加和降低电压。电荷泵转换器用于电压升压和电压反转,是一些项目的一部分。qCEednc

磁性转换器

DC-DC转换器周期性地存储能量,并在电感器或变压器中以磁场的形式释放能量,频率值为300kHz至10GHz。通过稳定性,可以控制传输负载所需的充电功率的占空比。qCEednc

有了这个控制,可以跨输入和输出电流使用,并通过电路保持恒定的功率。一个具有变压器的转换器可以提供输入和输出之间的操作。qCEednc

隔离转换器

在这些转换器中,使用了高频变压器。对于输出与输入完全分离的应用,使用此转换器。有不同类型的隔离转换器,例如半桥、全桥、反激式、正激式和推挽式DC-DC转换器。这些转换器可用作双向转换器。qCEednc

EVDC-DC转换器特性

为了连接,燃料电池DC-DC转换器提升燃料电池电压并调节直流链路电压。尽管连接超级电容器需要可逆的DC-DC转换器。有不同类型的DC-DC转换器,它们具有一定的设计和应用特点。但就车辆而言,这里列出了一些考虑因素:qCEednc

  • 用于车辆的转换器的效率必须高
  • 转换器必须体积小、重量轻
  • 电磁干扰少
  • 燃料电池产生的波纹较少
  • 功能必须提供电压提高或递升功能
  • 转换器功率流的调节提供转换器输入中的不同电压变化 

每种转换器类型都有其优点和缺点。例如不遵循电气隔离的DC-DC升压转换器。输入和输出幅度的大幅变化会导致开关承受压力,并且该电路会受到高电流和电压纹波的影响,还会面临高重量问题。qCEednc

简单的多通道转换器有助于减少输入和输出电流和电压纹波,会增加电路的重量并提高效率。该电路不适合高电压升压比,因为占空比受到电路阻抗的限制,导致最高升压比约为4。因此,需要两个串联配置的升压转换器来为该项目获得一定的电压增益。全桥DC-DC转换器用于需要电气隔离的应用。全桥DC-DC转换器由于电压和电流值较低,所以有利于大功率传输。它在输入和输出端面对着小的电压和电流纹波。qCEednc

DC-DC转换器的优点

  • 转换器的使用简化了电源电路
  • 转换器的使用减少了电池在电路和项目中的空间
  • 它提供有组织的负极和正极输出
  • 直流控制电路使用这种器件,稳压器使用这种模块
  • 它出现在混合电路中,将电路的所有元件都放在一个结构或外壳中
  • 有利于在需要时扩展电压
  • 该器件的主要优点是它在电路的输入端和输出端之间提供隔离。

DC-DC转换器的缺点

  • 这些转换器在运行期间会产生噪音
  • 具有高纹波电流和高损耗以及高输入输出电容值
  • 转换器的电路很昂贵
  • 这些电路提供不稳定的电压和电流供应。

结论

DC-DC转换器是一种电子设备,有助于根据电路和项目要求将直流电压转换为更高或更低的其他电平。它是电源的基本组成部分,可改变电压值以运行需要低或高直流电压的不同应用。它是电动汽车的主要部件,由提供高直流电压的电池组成。由于EV组件在不同的电压水平(高或低)下运行,因此使用DC-DC转换器来维持这些组件的电压值。DC-DC转换器已成为电动汽车和其他在不同直流电平下运行的电子项目的重要组成部分。qCEednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:DC-DC Converter and its Use in Electric Vehicles,由Ricardo Xie编译。)qCEednc

责编:Ricardo
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