能源汽車不斷得到發(fā)展,包括混合動力汽車(HEV)、增程式混合動力汽車(PHEV)、純電動汽車(EV)以及燃料電池車(FCV)等,在這些新能源汽車中,需要使用到不同電壓等級的電源系統(tǒng),如AC/DC、DC/DC 、DC/AC變換器都使用磁性元件。
其中DC/DC變換器成為新能源汽車設(shè)計開發(fā)不可或缺的關(guān)鍵部件,而功率電感是DC/DC變換器不可或缺的器件,可以提供大電流,高電感,其通過積累并釋放能量來保持連續(xù)的電流。作為電動汽車的供電設(shè)備,DC/DC變換器也給車載電子設(shè)備供電。根據(jù)純電動汽車車載電子設(shè)備不同屬性,可把用電設(shè)備分為長期用電設(shè)備、連續(xù)用電設(shè)備、短時間間歇用電設(shè)備和EV附加用電設(shè)備等四種類型,如下圖所示。同時,DC/DC變換器的體積和種類都很小且輸出穩(wěn)定?煞忠韵氯N拓撲方式
a)BOOST DC/DC
新能源汽車上使用的BOOSTDC-DC變換器主要用于高壓系統(tǒng)的升級,將動力電池系統(tǒng)的電壓等級再行升高, 以匹配更高等級的電機驅(qū)動系統(tǒng)。BOOST DC/DC 變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下圖所示。
BOOST DC/DC 變換器有如下的特點:
1)需要能夠控制功率流的雙向流動,以能確保動力電池的充放電功能;
2) 功率大小需要匹配電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率需求,一般與電機驅(qū)動系統(tǒng)集成設(shè)計, 共用其冷卻方式;
3)采用非隔離的設(shè)計拓撲方式,一 般 采 用 普 通 的BUCK-BOOST 拓撲方式, 設(shè)計較簡單;
4)電路拓撲簡單,但在整車設(shè)計開發(fā)中需要配合動力電池和電機驅(qū)動系統(tǒng)一起來控制, 配合整車方面的控制較為復雜。
在汽車應(yīng)用中,目前車燈廣泛采用LED光源,因此會用到Boost DC/DC和Buck DC/DC等轉(zhuǎn)換器。
b)BUCK DC/DC
BUCK DC/DC變換器一般代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的交流發(fā)電機,提供低壓蓄電池及低壓電器設(shè)備的電源。由于是高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為低壓安全系統(tǒng),這類DC/DC變換器一般需要進行隔離化設(shè)計,相比BOOST DC/DC變換器而言整體效率有所下降,但總的設(shè)計功率也小很多,一般為1.5kW到2.5kW左右,設(shè)計功率以匹配整車低壓電器負載為原則。
BUCK DC/DC變換器一般采用三種拓撲設(shè)計:全橋變換器、半橋變換器和組合式正激變換器。其中全橋和半橋變換器設(shè)計的變壓器磁芯雙向磁化,磁芯利用率高,功率管使用較多,有橋臂直通的風險,控制及驅(qū)動較為復雜,比較適應(yīng)大功率輸出的設(shè)計,如國外的整車廠商一般采用此拓撲,功率等級都在2kW以上,通過復雜的控制,可以實現(xiàn)功率流的雙向變換。國內(nèi)的整車廠商從成本和設(shè)計可靠性考慮,一般使用組合式的正激變換器拓撲,功率等級限制在2kW以內(nèi),只能實現(xiàn)能量的單向流動,設(shè)計上簡單,功能上可靠。
在汽車應(yīng)用中,BMC、VCU等方面會用到Buck DC/DC變換器,如將12V蓄電池電壓轉(zhuǎn)為5V電壓,來給相應(yīng)電路供電。
c)BOOST-BUCK DC/DC
由于車內(nèi)的低壓電器設(shè)備較多,在不同的工況下的低壓功率需求差異很大,即使有+12V蓄電池穩(wěn)壓的情況下,仍不能保證+12V的低壓電源是穩(wěn)定可靠的,如在起動機啟動引擎時候,蓄電池瞬間可以跌落到6V,這樣使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC 變換器來進行有效的穩(wěn)壓變得必要。如一些高級配置常規(guī)車,配備低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器,提供車載電腦的穩(wěn)壓;新能源汽車中控制動力分配、驅(qū)動的核心單元,使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器來穩(wěn)壓,以提供整車系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。
如以下DC/DC電源包含大部分磁性元件產(chǎn)品,有多種電感和高頻變壓器組成。