車載DC-DC高壓電性能評價

【摘 要】文章從電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計指標(biāo)出發(fā)，詳細研究電動汽車高壓系統(tǒng)的電性能相關(guān)要求，重點分析DC-DC變換器的高壓安全及高壓部件的電氣性能的評價方法及必要性。

【關(guān)鍵詞】DC-DC變換器;高壓電性能;高壓紋波;電壓跳變

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0058-05

On-board DC-DC High-Voltage Electrical Performance Evaluation*

【Abstract】This paper starts from the standards and design specifications of electric vehicles （EVs），and conducts a detailed study on the electrical performance requirements of the high-voltage systems in EVs，with a focus on analyzing the high-voltage safety of DC-DC converters and the evaluation methods and necessity of the electrical performance of high-voltage components.

【Key words】DC-DC converter;high voltage property;high-voltage ripple test;voltage jump test

發(fā)展新能源汽車已成為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的重中之重，隨著國家重點項目的支持，新能源汽車行業(yè)的增長速度顯著加快。在這些車輛中，電機控制器和DC-DC變換器作為核心高壓電子組件，在電動汽車中扮演著至關(guān)重要的角色，主要負責(zé)高壓和低壓電系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換。由于電動汽車的電力系統(tǒng)需在高壓環(huán)境下穩(wěn)定運行，所以在復(fù)雜的車載電子環(huán)境中，DC-DC變換器必須能夠抵抗來自電源內(nèi)網(wǎng)和其他電子設(shè)備的干擾。特別是在車輛加速或制動時，電力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)對變換器的電壓和電流控制能力提出了更高要求。這對于保障電動汽車的可靠性和安全性至關(guān)重要。高壓電性能測試系統(tǒng)在這一背景下顯得尤為關(guān)鍵，該系統(tǒng)能夠在微秒級時間內(nèi)精確控制電壓的快速升降，輸出具有復(fù)雜波形的電壓和脈沖信號，確保了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對于評估和驗證DC-DC變換器的功能安全性提供了重要支持。

1 DC-DC抗干擾能力分析

1.1 Buck型DC-DC變換器模型的建立

DC-DC變換器是一款電壓轉(zhuǎn)換芯片，通過自激蕩電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為不同電壓等級的直流電。常見的DC-DC變換器根據(jù)電壓等級變換關(guān)系分為降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器及降升壓變換器，根據(jù)是否需要電氣隔離又分為隔離型變換器和非隔離型變換器。

本文選用一種非隔離型DC-DC降壓變換器，又稱為Buck型DC-DC變換器，是一種輸出直流電壓小于輸入直流電壓的單管非隔離式DC-DC變換器，其原理如圖1所示。

為便于分析問題，假設(shè)該Buck變換器為理想變換器。申流連續(xù)模式（continnous current mode，CCM）下，Buck電路的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：E——輸入的直流電壓，V;R——電路的負載電阻值，Ω;iL——通過電感器的電流，A;VO—變換器的輸出電壓，V;μ——占空比，μ∈[0，1]。

根據(jù)上述公式，在實際測試評價中，往往可通過輸入輸出電壓、電流、開關(guān)頻率與占空比等關(guān)鍵參數(shù)計算得出樣品電路中電感與電容的粗略估算值，方便后續(xù)評價與改善驗證的分析。

1.2 高壓性能測試評價

針對DC-DC變換器，常規(guī)的高壓電性能測試包括耐瞬態(tài)過壓測試、負載突降脈沖抗擾性測試、高壓電源脈沖抗干擾性測試、電壓驟降驟增測試及高壓紋波抗干擾性測試。本文將特別關(guān)注DC-DC變換器的電壓驟降測試和高壓紋波抗干擾性測試，以此來驗證和展示DC-DC變換器在極端電壓條件下的性能、穩(wěn)定性及抗干擾能力。

高壓紋波抗干擾性測試主要模擬DC-DC變換器在輸入端的抗干擾能力，在模擬電動汽車實際運行過程中，由BMS（電池管理系統(tǒng)）傳遞給DC-DC變換器的高壓電通常含有各種干擾紋波，這些干擾可能會對DC-DC變換器的正常工作造成影響。本測試旨在通過在試驗條件下在純電壓上耦合模擬的紋波，評估DC-DC變換器在現(xiàn)實駕駛條件下的抗干擾能力，從而確保其在復(fù)雜電氣環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

電壓驟降試驗則是用來模擬汽車在冷啟動時電池電壓短暫下降的情況，這種情況下，電壓會在短時間內(nèi)下降，然后恢復(fù)到正常的工作電壓。本試驗旨在通過高壓電性能測試系統(tǒng)精確模擬電壓的下降及后續(xù)的上升過程，驗證DC-DC變換器在面對電壓突然下降時的瞬態(tài)響應(yīng)能力。變換器需要能夠快速調(diào)整其輸出，以維持穩(wěn)定的電壓水平。測試中DC-DC變換器表現(xiàn)出的在電壓不穩(wěn)定時啟動和運行安全性對理解DC-DC變換器在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)至關(guān)重要，也有助于優(yōu)化其設(shè)計。

1.3 DC-DC抗干擾特性分析

在通過上述試驗評價DC-DC變換器抗干擾能力的同時，以紋波測試為中心，重點考慮調(diào)整產(chǎn)品各項參數(shù)來有效提高Buck型DC-DC變換器的抗干擾能力。

1）開關(guān)頻率f。提高開關(guān)頻率有助于減少系統(tǒng)的共振頻率，降低噪聲。但過高的頻率會增加開關(guān)損耗。

2）占空比D。占空比決定了輸出電壓與輸入電壓的比例，調(diào)整占空比可以改變輸出電壓，減少電壓波動。公式為：Vout=D×Vin。

3）電感值L。電感值影響電流的變化速率，增加電感值可以減緩電流的變化，減少電壓尖峰。電流變化率的公式為：

4）電容值C。輸出電容用于平滑輸出電壓，增加電容值可以減小輸出電壓紋波。電容值的選擇與輸出電壓紋波的關(guān)系為：

5）輸入濾波器設(shè)計。設(shè)計輸入濾波器以減少輸入電壓的波動和噪聲，需要考慮濾波器的截止頻率和阻抗特性。本文后續(xù)主要結(jié)合紋波試驗中獲得樣品的阻抗曲線，嘗試在樣品輸入端布置電容，實現(xiàn)對特定頻率下的濾波功能。

2 試驗設(shè)計與測試平臺

本文測試方法與參數(shù)引用標(biāo)準(zhǔn)ISO 21498，結(jié)合整車實際采集電壓波形，模擬并施加至DC-DC變換器輸入端，驗證DC-DC變換器在復(fù)雜的車載電子環(huán)境中的性能和穩(wěn)定性。

2.1 電壓驟降測試方法

為了準(zhǔn)確還原實車工況下DC-DC變換器的電氣性能，基于實際汽車在冷啟動或其他可能導(dǎo)致電壓驟降的情況下的電池性能數(shù)據(jù)，確定電壓驟降的幅度、持續(xù)時間和恢復(fù)速率等關(guān)鍵參數(shù)。然后根據(jù)定義的參數(shù)設(shè)置電壓驟降的測試波形。確保波形能夠準(zhǔn)確地反映實際工況，包括電壓下降的斜率和恢復(fù)的斜率。電壓跳變輸入波形如圖2所示，其參數(shù)見表1。

2.2 高壓紋波測試方法

首先獲得在整車工況下采集的紋波電壓數(shù)據(jù)，采集位置位于DC-DC變換器前端。對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，確定紋波的幅度、頻率和波形特性。在測試設(shè)備的控制軟件中，根據(jù)分析得到的紋波特性，設(shè)置電壓和紋波的參數(shù)，從而確保這些參數(shù)能夠真實反映整車運行中的電壓條件。最后通過紋波耦合網(wǎng)絡(luò)在輸入端引入模擬的紋波，確保紋波能夠有效地耦合到DC-DC變換器的輸入端。通過以上步驟，可以確保高壓紋波抗干擾性測試能夠準(zhǔn)確地模擬整車上的實際情況，從而評估并提高DC-DC變換器在復(fù)雜電氣環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。紋波輸入波形如圖3所示，具體參數(shù)見表2。

將上述測試波形輸入至臺架的紋波發(fā)生器中，如圖4所示。

2.3 測試平臺

根據(jù)上述試驗評價方法搭建如圖5所示的DC-DC測試平臺，來模擬樣件在實際應(yīng)用條件下的電氣性能。

其中高壓電性能測試系統(tǒng)的設(shè)計和配置對于電動汽車中關(guān)鍵電子組件的測試至關(guān)重要，特別是在模擬和評估組件在真實車輛環(huán)境下的性能表現(xiàn)方面。該系統(tǒng)由數(shù)個關(guān)鍵部件組成，每個部件都具有特定的功能，確保能夠精確模擬和測試電動汽車高壓電子系統(tǒng)的性能。

Netwave67.3可編程直流高壓電源是系統(tǒng)的核心部分，具備高達67.3kW的功率輸出。該電源具有串聯(lián)模式和并聯(lián)模式兩種工作模式。在串聯(lián)模式下，電源能夠提供高達 ±1120V的電壓和150A的電流，適用于需要高電壓測試的應(yīng)用。并聯(lián)模式則支持±560V的電壓和250A的電流，更適合高電流需求的測試場景。電源的電壓變化斜率最大能達到8V/μs，這使得它能夠精確模擬實際駕駛中的電壓波動，從而對電子組件進行全面的動態(tài)測試。

紋波發(fā)生器和紋波耦合網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)中專門用于進行紋波抗擾性測試的設(shè)備。紋波發(fā)生器具有1kW的功率，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)生成交流紋波，模擬車輛運行中可能遇到的各種電壓干擾波形。紋波耦合網(wǎng)絡(luò)則擁有200kW的功率，通過空間耦合的方式將紋波施加到被測樣品的正極回路上，這種方法可以有效地測試樣品對紋波干擾的抗性能。

這套系統(tǒng)不僅可以用于標(biāo)準(zhǔn)的電性能測試，也極大地幫助研發(fā)團隊在產(chǎn)品開發(fā)階段驗證和優(yōu)化電動汽車電子組件的抗干擾能力和整體電氣性能。通過使用高級的測試設(shè)備如Netwave67.3和紋波發(fā)生器，研發(fā)團隊能夠在控制條件下復(fù)現(xiàn)和解決可能在實際運行中出現(xiàn)的電氣問題，從而提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。高壓電性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，高壓電性能測試臺架如圖7所示。

3 試驗結(jié)果分析

在本次試驗中，測試的樣品為輕度混合動力汽車所用的48V DC-DC變換器。試驗過程中，采用高精度示波器對DC-DC變換器的輸入和輸出端的電氣參數(shù)進行了詳細采集。電壓驟降試驗結(jié)果如圖8所示，其中，CH1通道記錄了DC-DC變換器的輸入端電壓，CH2通道記錄了輸入端電流，CH3通道則顯示了輸出端電壓，而CH4通道記錄了輸出端電流。通過對這4個通道的波形數(shù)據(jù)進行綜合分析，可以深入理解DC-DC變換器在實際工作中的電氣性能及其穩(wěn)定性。此分析幫助評估了變換器在模擬車輛操作條件下的響應(yīng)和效率。

3.1 電壓驟降試驗結(jié)果分析

圖8試驗結(jié)果表明，在DC-DC變換器處于額定工作狀態(tài)時，從高壓電源接收48V的輸入電壓，并通過降壓模塊將電壓降至14V，同時在恒流模式下提供200A的輸出電流。然而，當(dāng)輸入電壓突然下降至24V時，觀察到DC-DC輸出電流經(jīng)歷了短暫的波動后停止輸出;隨后當(dāng)輸入電壓瞬間恢復(fù)至48V時，輸出電壓不僅回升，還過沖至16.5V，并伴隨短暫波動，同時輸出電流也過沖至260A，并在150～250A之間波動。

這一現(xiàn)象揭示了DC-DC變換器在遭遇瞬態(tài)電壓波動時的電氣行為特性，特別是在實際車輛行駛中常見的急加速與急減速等工況下，整車高壓系統(tǒng)內(nèi)的電壓波動可能嚴(yán)重影響DC-DC變換器的降壓調(diào)制性能。這種電壓的快速變化引起的電流過沖，不僅影響系統(tǒng)的即時性能，更可能對DC-DC變換器的長期穩(wěn)定性和壽命造成負面影響。

因此，在設(shè)計和研發(fā)階段，工程師必須充分考慮到這種瞬態(tài)電壓變化對整車高壓電子系統(tǒng)，尤其是對DC-DC變換器等關(guān)鍵系統(tǒng)級部件的電氣安全和功能穩(wěn)定性的潛在影響。此外，應(yīng)通過仿真和實際車輛測試來驗證和優(yōu)化DC-DC變換器的設(shè)計，以確保其在面對極端電壓波動時能夠維持性能穩(wěn)定，并最大限度地減少對整體系統(tǒng)安全的潛在威脅。

3.2 高壓紋波試驗結(jié)果分析

在本次試驗中，DC-DC變換器在受到不同頻率的紋波干擾時的電氣性能被詳細測試和分析。試驗結(jié)果（圖9）顯示，當(dāng)UPP設(shè)置為3V時，隨著高壓電性能測試系統(tǒng)在低頻段對DC-DC變換器輸入端施加紋波干擾，輸入端的電壓和電流顯示出明顯波動，而輸出端的電壓和電流波形保持相對平穩(wěn)。然而，隨著干擾頻率的增加，觀察到輸出端的電壓和電流開始出現(xiàn)抖動，抖動的幅度隨著頻率的進一步增加而加劇。

特別是當(dāng)干擾頻率達到576.7Hz時，輸出端的電壓和電流波動達到了極值，示波器記錄顯示，輸出電流降至約20A。繼續(xù)增加干擾頻率至576.7～1000Hz范圍內(nèi)，DC-DC變換器輸出端的電壓和電流波動逐漸趨于平穩(wěn)。這一現(xiàn)象表明，DC-DC變換器在特定頻率下與輸入的干擾紋波產(chǎn)生共振（諧振），導(dǎo)致電氣性能的劇烈波動，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致設(shè)備停止工作。

DC-DC變換器的這種行為可歸因于其內(nèi)部的電容、電感和電阻等元件所具有的固有電氣特性。這些元件在受到外部電磁干擾的影響下，可能會在其自然頻率附近產(chǎn)生振蕩。當(dāng)外部施加的紋波頻率接近或達到這些元件的自然振蕩頻率時，系統(tǒng)便進入諧振狀態(tài)，引發(fā)輸出端的電壓和電流劇烈波動。如果干擾頻率未達到該振蕩頻率范圍，則輸入端的干擾不足以引起輸出端性能的顯著影響。

由此可見，在DC-DC變換器的設(shè)計和開發(fā)階段，進行紋波干擾測試至關(guān)重要。此類測試不僅有助于識別設(shè)備在哪些頻率點上最為敏感，還能指導(dǎo)工程師優(yōu)化設(shè)計以抑制在這些諧振頻點上的振蕩幅度，從而增強設(shè)備在實際運行中的穩(wěn)定性和可靠性。因此，推薦在DC-DC變換器的研發(fā)過程中系統(tǒng)地評估其在不同干擾頻率下的響應(yīng)，以避免未來實車運行中因諧振引起的設(shè)備損壞或性能下降。

3.3 紋波干擾的改善與驗證

依據(jù)章節(jié)1.3中對DC-DC抗干擾特性參數(shù)的分析，提出一個簡易方法來實現(xiàn)對此變換器諧振點附近紋波的改善，并進行再次試驗驗證。

在DC-DC變換器中，增加輸入端的電容可以提高系統(tǒng)的抗紋波干擾能力，因為電容可以吸收電壓的快速變化，減少紋波傳遞到后續(xù)電路。這種方法通常用于改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)和抑制高頻噪聲。已知DC-DC變換器的諧振頻率和電感電容值，可以通過調(diào)整輸入端的電容來優(yōu)化抗擾能力。諧振頻率通常與電路的電感和電容有關(guān)，可以通過以下公式計算：

式中：f0——諧振頻率;L——電感值;C——電容值。

根據(jù)章節(jié)1.1中公式可以估算出電感L和諧振的電容值C。如果想要在輸入端增加電容以改善抗擾能力，可以選擇一個電容值，使得與現(xiàn)有電感L組合的電路在所需的頻率范圍內(nèi)工作，從而吸收不希望的紋波。假設(shè)在輸入端增加一個額外的電容Cadd，以改變系統(tǒng)的諧振頻率或吸收特定頻率的紋波，可以通過以下方式計算：

首先確定目標(biāo)頻率，即fripple=576Hz，然后使用目標(biāo)紋波頻率和已知電感值L來計算新的電容值Cadd，使得新的諧振頻率高于或等于目標(biāo)紋波頻率。

由于DC-DC變換器中已經(jīng)有電容，需要考慮增加的電容值與現(xiàn)有電容值的并聯(lián)效果。總電容Ctotal為：

通過計算得出Cadd=1.2μF，在輸入端布置此電容后重復(fù)紋波測試，發(fā)現(xiàn)在規(guī)定頻率范圍內(nèi)，樣品輸出端電流無明顯降額或波動現(xiàn)象發(fā)生，從而驗證了此方法的有效性。

4 總結(jié)

本研究通過對輕度混合動力汽車用48V DC-DC變換器進行一系列高壓電性能試驗，深入探討了DC-DC變換器在各種電壓干擾條件下的響應(yīng)與穩(wěn)定性。試驗結(jié)果揭示了在電壓波動及紋波干擾下，DC-DC變換器的電氣性能表現(xiàn)，特別是在面臨瞬態(tài)電壓變化時的敏感性。本研究不僅驗證了DC-DC變換器在標(biāo)準(zhǔn)運行條件下的性能，而且進一步分析了在極端條件下的行為特征，為電動汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

在電壓驟降試驗中，當(dāng)輸入電壓從48V突然下降至24V時，DC-DC變換器的輸出電流顯示短暫波動后迅速停止，這表明DC-DC變換器對輸入電壓的突變極為敏感。此外，當(dāng)輸入電壓快速恢復(fù)至48V時，觀察到輸出電壓和電流不僅迅速回升，還出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致連接的電子設(shè)備經(jīng)歷電壓沖擊，從而影響其性能和壽命。這種現(xiàn)象強調(diào)了在DC-DC變換器設(shè)計時需要加強對電壓穩(wěn)定性和抗干擾能力的考量。

紋波干擾試驗進一步展示了在低頻到高頻不同干擾條件下，DC-DC變換器的抗干擾性能。特別是在576.7Hz頻率下，輸出電流降至20A左右，表明了頻率對DC-DC變換器性能的影響。此外，當(dāng)紋波頻率超出某個閾值時，DC-DC變換器的輸出電壓和電流波動逐漸穩(wěn)定。而在增加電容后的重復(fù)試驗更是揭示了其內(nèi)部元件可以通過設(shè)計優(yōu)化來提高整體的抗干擾能力。

綜上所述，本研究通過系統(tǒng)的試驗方法和詳細的數(shù)據(jù)分析，不僅增強了對DC-DC變換器在實車應(yīng)用中性能的理解，而且為改善其設(shè)計提供了實證依據(jù)。研究建議在DC-DC變換器的開發(fā)初期進行全面的電壓穩(wěn)定性和抗干擾測試，以確保電動汽車在不同駕駛條件下的安全性和可靠性。此外，研究還強調(diào)了在電動汽車設(shè)計中，應(yīng)充分考慮電氣系統(tǒng)的綜合性能，以適應(yīng)日益復(fù)雜的汽車電子環(huán)境。

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