CN107015091B - 车载dc/dc变换器的耐久试验装置 - Google Patents
车载dc/dc变换器的耐久试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种车载DC/DC变换器的耐久试验装置，包括：高压电转换模块，用于将高压交流电整流转换为高压直流电，并供应至N个待测变换器的输入侧的两端；其中，N为大于等于2的整数；输出侧线路，用于将所述N个待测变换器的输出侧串联后输出；输出电检测装置，用于检测所述输出侧线路输出的电流和/或电压；输入电检测装置，用于检测供应至所述待测变换器的电流和/或电压；控制器，用于根据所述输出电检测装置、以及输入电检测装置的反馈，输出对应占空比的PWM信号，从而使得所述待测变换器在额定耐久电流下工作；驱动器，用于依据所述控制器输出的PWM信号分别对各所述待测变换器的输出供电进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及车载变换器领域，尤其涉及一种车载DC/DC变换器的耐久试验装置。
背景技术
车载DC/DC变换器属于汽车电力电子技术领域，通常将电动汽车动力电池标称输出的高压直流电(200～720VDC)变换为低压直流电(12～48VDC)，已广泛用于电动汽车或混合电动汽车(EV&HEV)的二次电源模块中。而本专利是关于车载DC/DC变换器的耐久试验方案，主要用于批量生产前的研发阶段中，考虑到车载DC/DC的整个生命周期可能出现的在结构，功能或可靠性上失效问题后，而对新开发产品进行的耐久性或可靠性验证试验，属于汽车电力电子试验技术领域。
传统耐久试验中，通常使用单台连接电子负载，这样既浪费了能源，又降低了耐久测试的效率。
而且，国内DC/DC变换器主要集中应用于计算机，工业仪表，航天和自控设备等领域，尤其6～25W小功率工业级别低压变换器的应用最广泛。2000年以后，随着IC微电子技术的高速发展和PWM开关技术趋于成熟，DC/DC变换器已批量商业化生产且功率和开关频率迅速提升。然而车载DC/DC变换器耐久试验技术在国内仍然处于小功率低压的产品应用阶段，大功率高压，特别是大电流耐久试验技术还处于空白且没有形成可实际批量化应用的产品。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何实现车载DC/DC变换器的批量耐久试验。
为了解决这一技术问题，本发明提供了一种车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：包括：
高压电转换模块，用于将高压交流电整流转换为高压直流电，并供应至N个待测变换器的输入侧的两端；其中，N为大于等于2的整数；
输出侧线路，用于将所述N个待测变换器的输出侧串联后输出；
输出电检测装置，用于检测所述输出侧线路输出的电流和/或电压；
输入电检测装置，用于检测供应至所述待测变换器的电流和/或电压；
控制器，用于根据所述输出电检测装置、以及输入电检测装置的反馈，输出对应占空比的PWM信号，从而使得所述待测变换器在额定耐久电流下工作；
驱动器，用于依据所述控制器输出的PWM信号分别对各所述待测变换器的输出供电进行控制。
可选的，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括N个功率开关器件，每个所述功率开关器件连接于一个所述待测变换器的输出侧的第一端，所述驱动器进一步用于依据所述控制器输出的PWM信号分别控制所述N个功率开关器件。
可选的，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括连接于所述功率开关器件与对应待测变换器的输出侧的第二端之间的电容和负载。
可选的，所述控制器包括恒流环调整模块、峰值电流控制模块、周期电流限制模块；
所述恒流环调整模块，用于基于所述输出电检测装置和/或输入电检测装置的反馈进行恒流环调整；
所述峰值电流控制模块，用于基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息进行峰值电流控制；
所述周期电流限制模块，用于基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息，按逐个周期对电流进行限制；
所述输入侧电流信息依据所述输出电检测装置和所述待测变换器的匝数比得到。
可选的，所述控制器还包括短路保护模块，用于依据所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息对所述驱动器进行短路保护。
可选的，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括过流保护装置，用于依据所述输出电检测装置的反馈对所述驱动器进行过流保护。
可选的，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括微处理器，所述微处理器分别连接所述输出电检测装置、输入电检测装置、以及所述控制器的使能端。
可选的，所述微处理器，用于通过所述控制器使能端对所述控制器的开关频率进行控制，从而实现恒压或恒流或恒功率的控制。
可选的，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置包括高电压区域与低电压区域，所述高电压区域中至少设有所述高压电转换模块，以及所述高压电转换模块与待测变换器之间的电路部分，所述低电压区域至少设有所述输出侧线路，所述高电压区域与低电压区域之间进行电隔离。
本公开针对多台套车载DC/DC产品无负载情况下耐久试验实际需求，同时考虑了每台待耐久产品的恒压和恒流控制要求，在硬件上设计了输入并联输出串联方式的高低压隔离拓扑电路，同时取消了电子负载等耗能发热设备，具体实施方式中，还可采用自反馈和循环调节的可标定控制方案，采用了启动功能的监控和诊断，额定耐久工况下运行保护等设计，保证了产品耐久过程的可靠性，安全性和节能的理想效果。
附图说明
图1是本公开一实施例中车载DC/DC变换器的耐久试验装置功能框图；
图2是本公开一实施例中车载DC/DC变换器的耐久试验装置的控制示意图；
图3是本公开一实施例中车载DC/DC变换器的耐久试验装置的示意图；
图4是本公开一实施例中控制器的示意图。
具体实施方式
为了引入本公开提供的装置，先对以下进行介绍：
现有DC/DC变换器耐久技术主要应用于工业领域且存在以下不足：
1)、已有耐久电路设计多数以小功率范围(<1kw)低压产品为主要耐久对象，而针对大功率高压产品(特别是汽车级)的耐久技术还没有成熟，而且达不到汽车级别的耐久要求。但是随着电动转向EPS，电子刹车EPB，电动空调EHVAC和起停ISG等电机电器设备逐步配置于新能源汽车，对车载DC/DC功率需求越来越大。
2)、现有产品是非智能化控制设计，主要采用单一开关器件实现通断功能和PWM脉宽调制和低通滤波等谐波通讯功能等纯硬件电路设计，缺少软件控制策略的开发和应用，现有产品技术和***方案属于非智能型。
3)、为了尽量避免使用电子负载而造成电能浪费，通常采用的串/并联模式将能量回收并网的设计方案是一项节能试验技术，但能量回收效率，对测试产品的功率等级和数量的适应性而避免电路重复设计，以及实际操作的方便性是技术关键。例如：以往不同功率等级或不同数量产品的串并联模式需要重复计算形成布置方案而通用性差，特别指出的是-当串联或并联模式都无法实现能量回收并网的情况下，还需要单独增加电子负载或调压模块来实现调压并网。
4)、现有的耐久产品的检测和控制还停留在方案设计阶段，远没有在实际产品设计上实现自我诊断的功能，更别说进一步的比较，反馈和脉宽调制等控制功能的实现；
5)、现有的耐久产品对待耐久产品的启动功能还没有同步耦合到整机控制***中，往往是分成两步执行并手动调压和整流模块从而达到最大程度节能，能量回收效率无法进行精确的调控。
可见，考虑到不同功率等级和不同耐久数量的DC/DC变换器产品的实际需求，为进一步增强耐久台架控制环的可靠性和功率电路的自我诊断和精确调控，提高能量回收效率和可操作性，拓宽耐久试验台架适应功率等级范围以及数量和成本优化上的考虑，而采用了本公开的智能控制设计方案并在实际产品的耐久试验中应用。
本实施例提供了一种车载DC/DC变换器的耐久试验装置，可以针对超过1kW及以上的车载大功率DC/DC变换器产品的批量耐久技术，也可以针对车载动力电池包的输出高电压变换且集中于300V以上的产品耐久试验。耐久电流100A，用于产品研发中的可靠性验证，考验产品的可靠性指标，把产品做坏的循环次数。
包括：
高压电转换模块，用于将高压交流电整流转换为高压直流电，并供应至N个待测变换器的输入侧的两端；其中，N为大于等于2的整数；
输出侧线路，将所述N个待测变换器的输出侧串联后输出；
输出电检测装置，检测所述输出侧线路输出的电流和/或电压，图示的实施方式中，尤其包括：
输出电压检测装置，检测所述输出侧线路输出的电压；
输入电检测装置，检测供应至所述待测变换器的电流和/或电压；图示的实施方式中，尤其包括输入电压检测装置，检测供应至所述待测变换器的电压；
控制器，根据所述输出电检测装置、以及输入电检测装置的反馈，输出对应占空比的PWM信号，从而使得所述待测变换器在额定耐久电流下工作；
驱动器，用于依据所述控制器输出的PWM信号对各所述待测变换器的输出供电进行控制。可见，本发明基于耐久电流较大而采用针对每一台测试产品的单独控制方式。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：还包括N个功率开关器件，每个所述功率开关器件连接于一个所述待测变换器的输出侧的第一端，所述驱动器进一步用于依据所述控制器输出的PWM信号分别控制所述N个功率开关器件。所述功率开关器件可以采用IGBT器件，其为耐高压大电流的器件。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括连接于所述功率开关器件与对应待测变换器的输出侧的第二端之间的电容和负载，该设计保证了输出电压和电流恒定控制的准确性。在每台套输出端增加了负载和电容，这里电容设置具有储存能量，缓冲大电流冲击，负载调节输出电压和电流，综合两者而使得输出电流控制更加精准和稳定。以上增加的负载和电容之间增加电压检测，来监控和调整输出电压来保证输入电压的恒定值，即超过额定输出电压，将切换充电模式为放电模式而实现能量回收。
由于车载DC/DC变换器需要配置不同车型的设计指标，而形成了不同的功率等级差别，同时考虑到多台DC/DC变换器产品同时耐久的成本优势，因此本专利方案设计了输入和输出电压和电流皆可调，从而可适应不同功率等级和不同数量DC/DC产品同时耐久的多方面需求。故此，本实施例引入了控制器、检测装置、驱动器等。
图1示意的实施方式中，低压启动配电盒中，可设置所述输出电流检测装置、输出电压检测装置、输入电压检测装置、控制器、驱动器和过流保护装置等，图2示意的控制***包括所述输出电流检测装置、输出电压检测装置、输入电压检测装置、控制器、驱动器和过流保护装置。
其中一种实施方式中，所述控制器包括恒流环调整模块、峰值电流控制模块、周期电流限制模块；
所述恒流环调整模块，基于所述输出电检测装置和/或输入电检测装置的反馈进行恒流环调整，具体实施方式中，基于所述输出电流检测装置的反馈进行恒流环调整；其可以包括第二减法器，分别输入有输出电流设定值和输出电流检测值，其中，输出电流检测值可以为直接测量值，也可为换算得到；第二减法器的输出侧输出所述输出电流设定值和输出电流检测值的输出电流误差信号，根据所述输出电流误差进行控制，可实现恒流环控制。在图4示意的实施方式中，所述输出电流误差可输出至最小值电路。
所述峰值电流控制模块，基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息进行峰值电流控制；其中一种实施方式中，所述峰值电流控制模块可以包括第三减法器，所述第三减法器的一个输入端输入输入电流检测值，另一个输入端输入最小值电路的输出值，所述最小值电路分别输入输出电压误差与输出电流误差，取两者中较小的误差作为第三减法器的输入，所述第三减法器根据输入电流检测值与所述较小的误差确定峰值电流，进而输出进行相应的控制。由于其输出也可反应输出电流是否为恒流，所以，其共同实现了恒流环控制与峰值电流控制；在其他可选实施方式中，恒流环调整模块也可以单独输出进行控制。
所述周期电流限制模块，基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息，按逐个周期对电流进行限制。其中一种实施方式中，包括第二比较器，其输入侧分别输入输入电流检测值与逐个周期电流限定值，通过输入电流检测值与逐个周期电流限定值的比较，根据比较结果进行输出，从而可以实现控制。
恒流环调整模块、峰值电流控制模块、周期电流限制模块可以分别进行输入和输出，在图4示意的实施方式中，其结合在一起，输入至逻辑块进行判断输出，其根据所述第二比较器与第三减法器的输出，产生相应的PWM信号，输出至驱动器。
所述输入侧电流信息依据所述输出电检测装置和/或输入电检测装置得到，其中一种实施方式中，由于变换器的源端与副端的匝数为确定的，所以，两端的电参数可以通过变换器的源端和副端匝数比折算出来的，也可通过电压与电流间的关系换算。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括短路保护模块，依据所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息，实现短路保护。具体的实施方式中，可以包括第二比较器，所述第二比较器分别输入电流检测值与电流保护设定值，第二比较器比较所述电流检测值与电流保护设定值，根据比较结果输出控制所述驱动器，可以实现短路保护。
可见，本实施例中标称市电交流电经过整流由380VAC转换为400VDC，其次经过全桥开关斩波，本实施例在基于峰值电流控制模块和恒流环调整模块的基础上，增加了周期电流限制模块，该模块对DC/DC的全桥输入侧电流作逐个周期的电流限制，一旦发生过流的情况，便立即限制驱动PWM占空比，从而限制输出电流，使DC/DC变换器保持工作在额定耐久电流模式下，既保证了***的可靠性又兼顾了整车对DC/DC的功能要求，此外，由于不使用电子负载消耗DC/DC变换器输出功率，直接反馈到输入端，会造成输入端与AC/DC直流电源端电压和电流波动，本实施例通过探测输出和输入端的电流和电压变化，可以通过微处理器控制开关频率达到恒压，恒流和恒功率的稳定运行。
本实施例在基于峰值电流控制模块和恒流环的调整模块的基础上，增加了耐久控制电路的短路保护模块，以上两种模块在无负载启动的情况下，保护响应速度仍然不足以保护耐久产品不受损坏。因此，另外加入了一路高速过流保护电路，即检测耐久电路全桥输出侧电流并通过硬件比较器实现高速过流保护，一旦发生短路过流，直接关闭控制电路并上报故障，即如下：
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括过流保护装置，依据所述输出电流检测装置的反馈对所述驱动器进行过流保护。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括微处理器，所述微处理器分别连接所述输出电流检测装置、输出电压检测装置、输入电压检测装置、以及所述控制器的使能端。
其中一种实施方式中，所述微处理器，还通过所述控制器使能端对所述控制器的开关频率进行控制，从而实现恒压或恒流或恒功率的控制。故而，通过微处理器控制开关频率达到恒压，恒流和恒功率的稳定运行。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的输入侧连接所述高压电转换模块，所述第一二极管的输出侧供应至所述待测变换器，所述输出侧线路输出至所述第二二极管的输入侧，所述第二二极管的输出侧连接至所述第一二极管的输出侧与待测变换器之间。可实现DC/DC产品高压直流供电端与电能回收端的耦合控制功能。
其中一种实施方式中，所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置包括高电压区域与低电压区域，所述高电压区域中至少设有所述高压电转换模块，以及所述高压电转换模块与待测变换器之间的电路部分，所述低电压区域至少设有所述输出侧线路，所述高电压区域与低电压区域之间进行电隔离。
本公开具体可选实施方案可以具备以下效果：
1)、采用了高可靠性电流保护模式下的桥式拓扑电路和恒流控制策略，同时也考虑了各种过流或过压工况而进行了自检，保护，故障报警和快速自动恢复设计，包括：过载，过压，欠压，短路，过温等工况；
2)在实施中，耐久试验装置的地线，绝对地和相对地严格分开，高电压和低电压功能区域进行了电隔离设计，这样就有效保证了耐久台架的互感和自感的抗干扰性能；
3)、供电控制电路软件，即增加供电电源间耦合控制，包括：反馈，滤波，恒压或恒流；
4)、故障逻辑诊断功能，设置电流，电压和被测件传感器；
5)、工作模式判断电路，包括：恒压，恒流或恒功率工作模式的切换；
6)、耐久试验装置设置了辅助控制***，实现了待耐久产品的串并联耦合启动；
7)、相比传统开环耐久***设计方案，本专利以电流环实现闭环的能量回收，可根据不同功率等级及待耐久产品数量配置并实时调整并网电压且能量回收效率保持在90％以上。
综上所述，本公开针对多台套车载DC/DC产品无负载情况下耐久试验实际需求，同时考虑了每台待耐久产品的恒压和恒流控制要求，在硬件上设计了输入并联输出串联方式的高低压隔离拓扑电路，同时取消了电子负载等耗能发热设备，具体实施方式中，还可采用自反馈和循环调节的可标定控制方案，采用了启动功能的监控和诊断，额定耐久工况下运行保护等设计，保证了产品耐久过程的可靠性，安全性和节能的理想效果。
Claims (7)
1.一种车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：包括：
高压电转换模块，用于将高压交流电整流转换为高压直流电，并供应至N个待测变换器的输入侧的两端；其中，N为大于等于2的整数；
输出侧线路，用于将所述N个待测变换器的输出侧串联后输出；
输出电检测装置，用于检测所述输出侧线路输出的电流和/或电压；
输入电检测装置，用于检测供应至所述待测变换器的电流和/或电压；
控制器，用于根据所述输出电检测装置、以及输入电检测装置的反馈，输出对应占空比的PWM信号，从而使得所述待测变换器在额定耐久电流下工作；
驱动器，用于依据所述控制器输出的PWM信号分别对各所述待测变换器的输出供电进行控制；
所述控制器包括恒流环调整模块、峰值电流控制模块、周期电流限制模块；
所述恒流环调整模块，用于基于所述输出电检测装置和/或输入电检测装置的反馈进行恒流环调整；
所述峰值电流控制模块，用于基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息进行峰值电流控制；
所述周期电流限制模块，用于基于所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息，按逐个周期对电流进行限制；
所述输入侧电流信息依据所述输出电检测装置和所述待测变换器的匝数比得到；
还包括过流保护装置，用于依据所述输出电检测装置的反馈对所述驱动器进行过流保护。
2.如权利要求1所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：还包括N个功率开关器件，每个所述功率开关器件连接于一个所述待测变换器的输出侧的第一端，所述驱动器进一步用于依据所述控制器输出的PWM信号分别控制所述N个功率开关器件。
3.如权利要求2所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：还包括连接于所述功率开关器件与对应待测变换器的输出侧的第二端之间的电容和负载。
4.如权利要求1所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：所述控制器还包括短路保护模块，用于依据所得到的所述待测变换器的输入侧电流信息对所述驱动器进行短路保护。
5.如权利要求1所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：还包括微处理器，所述微处理器分别连接所述输出电检测装置、输入电检测装置、以及所述控制器的使能端。
6.如权利要求5所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：所述微处理器，用于通过所述控制器使能端对所述控制器的开关频率进行控制，从而实现恒压或恒流或恒功率的控制。
7.如权利要求1所述的车载DC/DC变换器的耐久试验装置，其特征在于：包括高电压区域与低电压区域，所述高电压区域中至少设有所述高压电转换模块，以及所述高压电转换模块与待测变换器之间的电路部分，所述低电压区域至少设有所述输出侧线路，所述高电压区域与低电压区域之间进行电隔离。
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| CN207133368U (zh) * | 2017-06-09 | 2018-03-23 | 上海逸伏汽车电子科技有限公司 | 车载dc/dc变换器的耐久试验装置 |
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2017
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| 李芬 ; 邹旭东 ; 王成智 ; 陈伟 ; .基于双PWM变换器的交流电子负载研究.高电压技术.2008,(05),第930-934页. * |
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