¿Cómo funciona el DCDC de los vehículos de nuevas energías?
El convertidor CC/CC, como parte importante del sistema de energía del vehículo eléctrico, una de sus funciones importantes es proporcionar la potencia necesaria para el sistema de dirección asistida, el aire acondicionado y otros equipos auxiliares. El otro tipo aparece en sistemas de energía compuestos y está conectado en serie con supercondensadores para regular la salida de energía y estabilizar el voltaje del bus.
Para alimentar la energía eléctrica del vehículo, la posición del DCDC en el sistema eléctrico de los vehículos eléctricos es como se muestra en la siguiente figura. Su energía eléctrica proviene del paquete de baterías y se utiliza para alimentar los aparatos eléctricos del vehículo.
La posición del DCDC utilizado junto con los supercondensadores en la fuente de alimentación del vehículo es la que se muestra en la siguiente figura. Puede aparecer en las posiciones que se muestran en (b), (c) y (d), y. (b) es la forma más utilizada.
1 Clasificación DCDC y principio de funcionamiento
1.1 Tipos aislados y no aislados
¿Qué es el aislamiento eléctrico?
Un pasaje de Baidu: El aislamiento eléctrico consiste en aislar eléctricamente la fuente de alimentación del circuito de alimentación, es decir, aislar el circuito derivado que utiliza energía de todo el sistema eléctrico, convirtiéndolo en un independiente aislado eléctricamente. Sistema de seguridad sin conexión a tierra para evitar riesgos de descarga eléctrica indirecta cuando los conductores expuestos están defectuosos y activos. Una vez logrado el aislamiento eléctrico, no existe conexión eléctrica directa entre los dos circuitos. Es decir, los dos circuitos están aislados entre sí. Al mismo tiempo, es necesario garantizar que los dos circuitos mantengan una relación de transmisión de energía. La función principal del aislamiento eléctrico es reducir la interferencia mutua entre dos circuitos diferentes y reducir el ruido.
El DCDC bidireccional no aislado tiene una estructura relativamente simple, cada componente está conectado directamente, no hay pérdida de energía adicional y la eficiencia de trabajo es relativamente alta. Los requisitos de capacitancia en el lado de refuerzo son relativamente altos. Las principales estructuras de circuitos DCDC no aislados incluyen un circuito elevador-reductor de medio puente bidireccional, un circuito reductor-reductor bidireccional, un circuito reductor bidireccional y un circuito Zate-Sepic bidireccional, como se muestra en la siguiente figura.
DCDC bidireccional aislado, agregar un transformador de alta frecuencia al convertidor DCDC bidireccional no aislado constituye un convertidor DCDC bidireccional aislado. La topología del circuito en ambos lados del transformador de alta frecuencia puede ser completamente de tipo puente. tipo medio puente, tipo push-pull, etc. Estos convertidores DCDC bidireccionales aislados utilizan más interruptores de potencia, tienen grandes relaciones de transformación de voltaje y tienen las ventajas del aislamiento eléctrico. Sin embargo, este tipo de convertidor DCDC tiene una estructura compleja y un costo relativamente alto. El convertidor tiene altas pérdidas. A bajas frecuencias, el núcleo del transformador de aislamiento se saturará y las pérdidas aumentarán aún más. Por lo tanto, los convertidores DCDC bidireccionales no aislados tienen más ventajas que los tipos aislados cuando se utilizan en vehículos eléctricos.
Cuando la energía fluye del lado de alto voltaje al lado de bajo voltaje, el convertidor DCDC bidireccional opera en modo BUCK; cuando la energía fluye del lado de bajo voltaje al lado de alto voltaje, el bidireccional El convertidor DCDC funciona en modo operativo BOOST.
1.2 Tres componentes del sistema DCDC
Circuito principal
También llamado módulo de potencia, es el cuerpo principal de todo el DCDC. En la siguiente figura se muestra una topología típica del circuito principal de un convertidor DCDC de puente completo.
En la figura anterior, Vin es el voltaje de entrada, que debe pasar a través del circuito DCDC para obtener el voltaje de salida requerido en el extremo de salida. El circuito de conmutación primario modula la corriente de entrada en una onda rectangular. Este proceso se basa principalmente en que el controlador module la onda PWM con un ciclo de trabajo específico para hacer que los cuatro tubos de conmutación se abran y cierren en un orden y tiempo predeterminados, logrando así el proceso de inversión actual. El voltaje de entrada primario se puede ajustar mediante el ciclo de trabajo. Cuando el ciclo de trabajo aumenta, el voltaje de salida también aumenta. Cuando el ciclo de trabajo disminuye, el voltaje de salida disminuye. La frecuencia se puede ajustar ajustando la frecuencia de conmutación. Transformador de bits T1, transformador que usted n. Los transformadores pueden lograr aislamiento eléctrico y funcionar como reguladores de voltaje. Con un número fijo de vueltas en la bobina del lado primario y cambiando el número de vueltas en el lado secundario se pueden obtener diferentes niveles de voltaje. La entrada del transformador es una onda rectangular de pulso obtenida por inversión del circuito de puente completo izquierdo, que se transmite al lado secundario del transformador, y lo que se obtiene es una onda sinusoidal de CA con otra amplitud de voltaje. Después de la rectificación por DR1 y DR2, y luego del filtrado por Cf y Rl, se obtiene energía CC y se suministra al extremo de salida.
Módulo controlador
Para las señales de accionamiento PWM de cuatro canales emitidas por el chip de control, no puede controlar directamente los cuatro tubos del interruptor de alimentación. Por lo tanto, en términos generales, una fuente de alimentación conmutada debe estar equipada con un circuito impulsor para accionar el tubo del interruptor de alimentación.
Hay muchos tipos de circuitos de accionamiento, incluidos principalmente los tres tipos siguientes:
Tipo de acoplamiento directo: cada señal de accionamiento PWM de salida del chip de control impulsa el tubo del interruptor de alimentación a través de un circuito amplificador compuesto por dos transistores. Este método no puede lograr el aislamiento entre la parte de control y el circuito principal.
Circuito de accionamiento acoplado a transformador de impulsos: Este circuito se basa en el tipo de acoplamiento directo y añade un transformador de impulsos para lograr el aislamiento del circuito de control y del circuito principal. Sin embargo, la desventaja de esta estructura es que es relativamente complicada en lo que respecta al diseño y producción del transformador.
Circuito controlador del chip controlador: para controlar el tubo del interruptor de alimentación de manera más conveniente, muchas empresas han desarrollado chips controladores. El chip controlador puede generar mayor potencia y controlar el tubo del interruptor con la miniaturización del chip. , Desarrollo, el chip controlador actual es de tamaño muy pequeño y viene en varias formas de embalaje. Es relativamente sencillo utilizar un chip controlador para accionar el tubo del interruptor de alimentación, pero aún no se logra el aislamiento entre el circuito de control y el circuito principal.
Módulo de control
La retroalimentación del circuito principal tiene principalmente tres modos de control: modo de control de voltaje, modo de control de corriente máxima y modo de control de corriente promedio.
Modo de control de voltaje: pertenece a la retroalimentación de voltaje y utiliza el voltaje de salida para la corrección. Es un modo de retroalimentación de bucle único. El muestreo del voltaje de salida se compara con el voltaje de referencia de entrada. en comparación con un voltaje de onda de diente de sierra para generar una señal PWM. El modo de control de voltaje es relativamente simple de diseñar y usar, pero el modo de control de voltaje no controla la corriente de salida, por lo que hay un cierto error y el inductor y el capacitor filtran primero el voltaje de salida, lo que resulta en una respuesta dinámica deficiente.
Modo de control de corriente máxima: La diferencia entre el modo de control de corriente máxima y el modo de control de voltaje es que en el modo de control de corriente máxima, la forma de onda en diente de sierra del modo de control de voltaje se convierte en la corriente instantánea del inductor y una pequeña superposición de ondas en dientes de sierra. Sin embargo, la corriente instantánea del inductor no representa la corriente promedio.
Modo de control de corriente promedio: Pertenece al modo de control de bucle dual. La señal de salida del bucle de voltaje se utiliza como corriente de referencia y se compara la señal de retroalimentación de la corriente del inductor. Configurar un amplificador de error puede promediar algunos componentes de alta frecuencia de la corriente de entrada y luego comparar la corriente de salida promedio con la onda de diente de sierra generada por el chip para generar una forma de onda PWM adecuada.
Por lo tanto, la corriente del inductor y el voltaje del capacitor deben ajustarse PID para ambas variables. En la siguiente figura se muestra un proceso de control típico. El módulo de control se compone de dos controladores PID, a saber, el bucle externo de control de voltaje y el bucle interno de control de corriente. Al proporcionar un voltaje de referencia en el diagrama de flujo y diseñar parámetros razonables, se puede lograr rápidamente el propósito del sistema de control.
En comparación con los tres métodos de control, el método de control de corriente promedio no limita el ciclo de trabajo y proporciona retroalimentación tanto sobre el voltaje de salida como sobre la corriente del inductor, lo que tiene un mejor efecto de control. Al diseñar el circuito de retroalimentación utilizando el método de control de corriente promedio, el bucle de corriente se considera parte del bucle de tensión.
1.3 Conmutación suave y conmutación dura
¿Cuál es la diferencia entre conmutación dura y conmutación suave en DCDC?
El cambio duro y el cambio suave son para cambiar tubos.
La conmutación forzada significa forzar el encendido o apagado del interruptor independientemente del voltaje o la corriente en el interruptor (polo DS o polo CE). Cuando el voltaje y la corriente en el tubo del interruptor (polo DS o polo CE) son grandes, el tubo del interruptor funciona, ya que lleva una cierta cantidad de tiempo cambiar entre los estados del tubo del interruptor (de encendido a apagado o de apagado a encendido). , esto hará que el interruptor Habrá un área de cruce entre el voltaje y la corriente durante un cierto período de tiempo al cambiar entre estados del tubo. La pérdida del tubo de conmutación causada por este cruce se llama pérdida de conmutación del tubo de conmutación. La conmutación suave significa que al detectar la corriente del tubo del interruptor u otras tecnologías, el tubo del interruptor se enciende o apaga solo cuando el voltaje en ambos extremos del tubo del interruptor o la corriente que fluye a través del tubo del interruptor es cero, de modo que habrá No habrá pérdida de conmutación en el tubo del interruptor. En términos generales, la eficiencia de la conmutación suave es mayor (porque no hay pérdida de conmutación, la frecuencia de operación es mayor y el tamaño del PFC o del transformador se puede reducir, por lo que el tamaño se puede reducir). Sin embargo, el coste es relativamente alto y el diseño complejo.
Además, la conmutación suave incluye tres métodos de control: control bipolar, control bipolar limitado y control de puente completo con desplazamiento de fase. La forma de onda rectangular resultante se muestra en la siguiente figura.
Q1 y Q3 son tubos de conmutación en el brazo del puente principal y pertenecen al mismo brazo del puente, mientras que Q1 y Q4 son tubos de conmutación diagonales y pertenecen a dos brazos del puente respectivamente.
El primer método de control es un cambio duro, y tanto el segundo como el tercer método de control pueden lograr un cambio suave. Sin embargo, el tercer método de control es más flexible y más fácil de implementar.
Debido a los requisitos cada vez más altos de densidad de potencia, los DCDC de conmutación suave que pueden mejorar el rendimiento energético aumentando la frecuencia son la principal dirección de la investigación actual. La conmutación suave incluye tres métodos de control principales: conversión de puente completo con desplazamiento de fase ZVS, conversión de puente completo con desplazamiento de fase ZCS y conversión de puente completo con desplazamiento de fase ZVZCS.
2 Cómo estimar la potencia DCDC al alimentar aparatos eléctricos de vehículos
Cada equipo eléctrico tiene su propio voltaje y corriente nominales si los equipos eléctricos de un vehículo eléctrico suelen funcionar en lugares que no sean. Las condiciones nominales reducirán en gran medida la eficiencia de conversión de energía, acortarán la vida útil e incluso causarán daños al equipo. Por lo tanto, las especificaciones DCDC deben coincidir con los requisitos del sistema para poder funcionar mejor. La idea general de selección es no sumar directamente toda la energía eléctrica, porque es posible que no funcionen todas al mismo tiempo.
Según los diferentes atributos del equipo electrónico a bordo de los vehículos eléctricos puros, el equipo eléctrico se puede dividir en consumo de energía a largo plazo, consumo de energía continuo, consumo de energía intermitente a corto plazo y energía adicional. tipos de equipos de consumo y valores de peso asignados a diferentes tipos de equipos de consumo de energía. Entre ellos, los equipos eléctricos de larga duración incluyen medidores combinados y baterías, con un peso de 1; los equipos eléctricos continuos incluyen limpiaparabrisas, motores, sistemas de audio, iluminación de instrumentos y otros equipos, con un peso de 0,5; parlantes eléctricos, varios tipos de luces de señalización, controladores y otros equipos, el valor de peso puede ser 0,1 para equipos eléctricos adicionales, bombas de vacío eléctricas, bombas de agua eléctricas y direcciones eléctricas, los valores de peso pueden ser 0,1, 1 y 0,3. respectivamente según la situación real. En la tabla se muestra el análisis del consumo de energía de varios tipos de equipos.
3 ¿Cómo determinar los parámetros eléctricos de los DCDC utilizados con supercondensadores?
En los sistemas de potencia compuestos, los supercondensadores se definen generalmente como la parte que maneja la alta potencia. El proceso de descarga proporciona la parte por encima del valor promedio para las condiciones máximas de trabajo que el proceso de recuperación de energía de frenado asume total o absolutamente; No hay energía. La mayor parte de la corriente de reciclaje se absorbe. Frente al poder de impacto, DCDC tiene requisitos relativamente altos en dos aspectos. Una es la velocidad de reacción. En el circuito de potencia donde la batería y el supercondensador están conectados en paralelo, la energía de frenado se genera desde el motor y se transfiere a la fuente de alimentación a través de la barra colectora. Si la respuesta de DCDC no es lo suficientemente sensible y el tiempo de encendido es prolongado, la energía entrante será aislada por DCDC fuera del supercondensador y no podrá ser absorbida. Solo puede ser absorbida por la batería. La energía excesiva causará daños permanentes a la batería. batería. . Otro requisito del DCDC es poder resistir el impacto de alta potencia instantánea. El DCDC conectado en serie con el circuito del condensador debe enfrentarse a menudo al estado de funcionamiento de la potencia de impacto. Por tanto, a la hora de elegir un DCDC conectado en serie con un supercondensador en la misma rama, los parámetros más importantes son el rango de potencia, la tensión de funcionamiento y el tiempo de acción.
Este artículo está compilado a partir de la siguiente literatura e información pública en Internet:
1 Zou Jie, investigación sobre convertidor CC_CC de puente completo desfasado para vehículos eléctricos
2 Chen Jianlong, vehículo eléctrico Investigación sobre convertidores DC_DC bidireccionales para automóviles;
3 Wang Birong, diseño e investigación de convertidores DC_DC bidireccionales para vehículos eléctricos puros;
4 Zhang Zhiping, investigación y diseño de convertidores DC_DC para vehículos eléctricos;
5 Li Hui, una revisión de DCDC para automoción;
6 Zong Weiwei, investigación sobre optimización de interferencias electromagnéticas de convertidores DC_DC para vehículos eléctricos vehículos;
(imágenes de Internet Información pública)