电动汽车dc转换器拆解

发表于 2017-12-25 10:15:11 收藏 已收藏
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电动汽车dc转换器拆解

发表于 2017-12-25 10:15:11

DC-DC转换器(一):提高电压转换效率

TDK已开始向混合动力车及电动汽车提供“DC-DC转换器”。电动汽车充电电池的电压高达数百伏。DC-DC转换器将充电电池的电压降至14V,提 供给铅蓄电池。再把铅蓄电池作为电源驱动发动机的辅机类、雨刷及前照灯等器件。

世界首款量产混合动力车的投入使用已经12年。包括TDK在内,DC-DC转换器单位体积的功率密度逐年提高,估计今后也是这一趋势。

TDK的DC-DC转换器于1997年实际应用于混合动力车。本田将在现行的“思域混合动力车”和新款Insight上采用(图1)。还被部分海外厂 商应用于混合动力车。

Insight之所以采用TDK制造的DC-DC转换器, 是因为能够满足小型与轻量化的要求。本田对Insight减小了包括DC-DC转换器和逆变 器在内的PCU(功率控制单元)尺寸及镍氢充电电池的尺寸。这些器件在思域混合动力车中曾配置在后座后面,而在Insight中,却配置在行李舱下面,以 使行李舱的可用空间比以前增大。DC-DC转换器的小型化有利于扩大行李舱容量,降低成本。

Insight上使用的最新款DC-DC转换器与思域混合动力车上配备的原产品相比,重量减轻45%,容积减小5%(图2)。重量低于1kg。转换效 率确保在90%以上。

电动汽车dc转换器拆解

省去交流发电机混合动力车及电动汽车导入DC-DC转换器之后,可省去交流发电机。交流发电机利用发动机的旋转 发电,发出的电为铅蓄电池充电。(如图)

电动汽车dc转换器拆解

电动汽车 的充 电电池容量很大。因此,以充电电池为电源, 能够利用DC-DC转换器为铅蓄电池充电。从而可以 省去原来的交流发电机。(如图)

电动汽车dc转换器拆解
 

Insight就未配备交流发电机(如图)

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使用充电电池和DC-DC转换器,可以不必考虑发动机的转速而为铅蓄电池充电。原来的汽油发动机车,当发动机转速低时,如果同时使用空调、立体声及车 灯等,有时“电池的电量会用尽”。即使发动机仍在运行,有些条件下也会出现电力不足现象。而如果像混合动力车和电动汽车这样使用充电电池和DC-DC转换器,便可不必考虑发动机的转速而使用电力。

DC-DC转换器(二):保留铅蓄电池

混合动力车和电动汽车按说也能省去铅蓄电池,但实际上还是保留了铅蓄电池(如图)。Insight也保留了铅蓄电池。这样做有两大原因。一是保留铅蓄 电池更能够降低整个车辆的成本。二是确保电源的冗余度。

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铅蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅蓄电池而将充电电池的电力用于補机类、空调及雨刷等,DC-DC转换器的尺寸势必就 要增大,从而使整体成本增加。铅蓄电池便宜,因此目前将铅蓄电池置换成充电电池还没有成本上的优势。

二是铅蓄电池还有确保向補机类供电的冗余度的作用。DC-DC转换器出现故障停止供电时,如果没有铅蓄电池,補机类就会立即停止运行。夜间车灯不亮, 雨天雨刷停止运行等,就会影响驾驶。如果有铅蓄电池,便能够将汽车就近开到家里或者工厂。

今后DC-DC转换器功能改进的方向之一是双向化,现在使用的DC-DC转换器只是单向改变电压。现在也存在要求双向的需求。当充电电池的电力不足 时,便可将铅蓄电池的电力输入充电电池,以备紧急之需。双向化是今后将继续探讨的课题,这也是确保冗余度的方法。 TDK分代开发了DC-DC转换器基本电路(平台),如图

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其中包括2001年开始量产的“GEN3”(第3代)、2005年量产的“GEN4” (第4代)、2008年量产的“GEN4.5”(第4.5代)。现在正在开发的是“GEN5”(第5代)。根据基本电路,制成符合各汽车公司要求的产品。

DC-DC转换器不同的代规定了变压器的种类及DC-DC转换器电路的基本构造。水冷/空冷、端子位置,主体形状等根据采用车型进行设计。基本构造以 严酷环境下的空冷为前提设计。

按产品来看,转换效率由第2代到第5代一直在提高(图8)。电流为10A时,转换效率分别为约84%(第2代)、约86%(第4代)、约89%(第 4.5代)。电流为70A时,转换效率由约86%(第2代)提高到约88%(第4.5代)。预计下一代第5代将超过90%。(未完待续,特约撰稿人:近藤 朋之,TDK电力系统业务集团EV电源部部长)

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     DC-DC转换器(三):DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的主要部件是变压器。变压器由一次侧(输入侧、充电电池侧)和二次侧(输出侧、铅蓄电池侧)两种线圈构成。线圈比与电压比成比例。

利用变压器改变电压时,变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压,因此DC-DC转换器通过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压,将 其转换成交流电压。然后,利用变压器转换交流电压,再利用功率半导体将交流电压转换成14V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直流时,为抑制电压波形 的噪声(平滑化),还使用了电容器。

决定DC-DC转换器性能的主要因素是变压器。变压器的大小、形状及支持的开关频率随着更新换代而进化(如图)。开关频率由70kHz提高到 110kHz,变压器铁芯的重量由215g左右减轻至61g左右。变压器的线圈通过采用层叠平面线圈的类型,降低了高度。

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通过提高开关频率,可减小变压器和整流电路的尺寸。因为频率提高,可使功率半导体单位时间的开关次数增加。不过,为防止接近收音机AM广播的频率,过 去一直采用70kHz频帯。最近由于抑制噪声的技术取得进步,采用了比原来高40kHz的110kHz频帯。

变压器的铁芯材料采用的是最新的铁氧体材料“PC95”。PC95的原料为Fe(铁)、Mn(锰)、Zn(锌)。Fe的混合比例等与原产品 (“PC44”、“PC45”等)不同。原产品在有些温度下,会出现铁损增大、效率降低现象。最新的铁芯可在很大的温度范围内减小铁损。铁损以磁滞损耗为 主,还包括涡流损耗。

与二次侧变压器相连的整流二极管采用了比上代热损耗低的产品。这样,整流二极管的封装面积比原来减小40%。

混合动力车用DC-DC转换器上使用的变压器铁芯材料采用了铁氧体(表)。因为变压器中流过100kHz左右的高频电流,与其他材料相比,铁氧体的效 率最高。 家电中使用的变压器的工作频率为50/60kHz左右,适于采用硅钢。非晶材料适合于频率高于100kHz的领域。

电动车DC转换器修理

用维修电源调到最高30V接入红黑两线,万用表电压档接黄黑两线,果然没12V电压输出。肯定已坏。

将盒子上的八颗螺丝卸下,即可打开看见里面的电路板,再将侧边固定两个大功率管的螺丝卸下,就可以取出电路板了。

仔细观察电路板,首先发现有打火痕迹,是个100V100uF电容松掉,估计长期发热加上在车上颠簸导致虚焊并松脱,于是拆下来检测,还能用!随即补焊回去,同时也发现MOS管与肖特基管管脚也有虚焊,也要拆下来检测后补焊。

再仔细观察其它地方没有虚焊了,同时观察板上的电阻没有焦黑。对于其它二极管用万用表二极管档测一下正反压降,都符合二极管基本特性。

用维修电源上电检测,发现还是没有输出。怀疑IC。用万用表测IC的7脚,只有1点几伏电压,没供电?

将供电一路的电阻测量,主要是那个20k1W电阻,没坏。怀疑两个并联在7脚的电容漏电,拆下来测一下,没有坏也没漏电。

于是判断可能是IC坏了,随后将IC拆下来,测7脚与5脚(IC的供电与地)。发现电阻得80几欧,无二极管特性。判断IC损坏!IC型号写着TL3845P。淘宝一搜,很少,且9毛钱。于是买了便宜的UC3845,只要5毛钱。

两天后,芯片寄到,装上前测一下好的IC 7与5脚是怎么样的,结果:不是80几欧的,且有二极管特性,随后将IC焊上,通电试机,有13V输出,维修成功!

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