AC/DC DC/DC变换器在新能源汽车上的应用

何谓ACAlternating Current(交流)的首字母缩写。AC是大小和极性(方向)随时间呈周期性变化的电流。电流极性在1秒内的变化次数被称为频率，以Hz为单位表示。

何谓DCDirect Current(直流)的首字母缩写。

DC是极性(方向)不随时间变化的电流。

①流动极性(方向)和大小皆不随时间变化的电流通常被称为DC。

②流动极性不随时间变化，但大小随时间变化的电流也是DC，

通常被称为纹波电流 (Ripple current)。

一、AC/DC转换器何谓AC/DC转换器?AC/DC转换器是指将AC(交流电压)转换成DC(直流电压)的元件。

为什么需要AC/DC转换器?那是因为家庭住宅和楼房接收到的电压是100V或200V的AC电压。

然而大家大部分使用的电器是在5V或3.3V的DC电压下工作的。

也就是说，如果不把AC电压转换成DC电压，电器就不能工作。

其中也有电机、灯泡等可以用交流电压驱动的产品，但电机与微控制器的控制电路连在一起，灯泡也变成节能LED，因此有必要进行ACDC转换。

为什么传输的是AC电压?可能有人会认为“既然电器使用的是DC，那为什么不一开始就传输DC?”

总所周知，电力来自水力发电站、火力发电站、核电站等。这些发电站位于山区或沿海等地区，从这些地区传输到市区，AC电压更有优势。

简而言之，通过以高电压、低电流方式传输AC电压，可以减少传输损耗(能量损耗)。

然而，在实际家庭中，由于不能直接使用高电压，所以需要通过几个变电站分阶段进行变压(降压)，最后转换成100V或200V后进入家庭。这些转换也因AC更简单，所以传输的是AC电压。

全波整流和半波整流(AC/DC转换)将AC(交流电压)转换为DC(直流电压)的整流方式有全波整流和半波整流。两种情况都利用了二极管的电流正向流通特性来进行整流。

全波整流是通过二极管桥式电路结构将输入电压的负电压成分转换为正电压后整流成直流电压(脉冲电压)。而半波整流是使用一个二极管来消除输入负电压成分后整流为直流电压(脉冲电压)。之后，利用电容器的充电和放电功能来平滑波形，从而转换为纯净的直流电压。

因此可以说，与不利用输入负电压成分的半波整流相比，全波整流是更具高效率的整流方法。

此外，平滑后的纹波电压根据电容器容量和负载(LOAD)而变化。

全波整流和半波整流在相同的电容器容量和负载条件下，全波整流的纹波电压更小。纹波电压越小，稳定性越高、性能越优。

AC/DC转换方法AC/DC转换有变压器方式和开关方式。

变压器方式这是普通AC/DC转换器的变压器方式电路结构。

【变压器方式的电路结构示例】

下图显示了变压器方式电压波形的变化。

变压器方法首先需要通过变压器将交流电压降压到适当的交流电压(例如，从AC100V降至AC10V等)。这属于AC/AC转换，降压值由变压器的绕组比设定。

接下来，通过二极管桥式整流器对经过变压器降压的交流电压进行全波整流，转换为脉冲电压。

最后，经电容器平滑并输出纹波小的直流电压，这是最传统的AC/DC转换方法。

新能源汽车电驱动系统(Electric Drive System)是新能源汽车(如电动汽车、插电式混合动力汽车等)的核心动力系统，负责将电能转换为机械能，驱动车辆行驶。该系统主要包括电池管理系统(BMS)、整车控制器(VCU)及电机控制器(MCU)等关键组件。

新能源汽车三电系统

1、新能源汽车电力驱动系统概述

传统汽车驱动车辆是依靠内燃机做功，通过变速器改变输出动力的传动比旋转方向，再通过传动轴和车轮实现车辆驱动。而纯电动汽车的电力驱动系统替代了传统汽车的内燃机和变速器，依靠动力电池、逆变器和电机变速单元实现车辆的驱动。

电驱动系统是新能源汽车核心系统之一，其性能决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。无论是BEV(纯电动汽车)、HEV/PHEV(串并联结构)和燃料电池汽车均需要电驱动系统驱动车辆。

新能源汽车电力驱动系统

新能源汽车的电力驱动系统其主要由发电机/电动机、逆变器、升压型DC/DC、动力电源、辅助电源、动力电源ECU和HV ECU等构成。各个元件作用不同，所需功率等级、电压高低、电流大小、安全可靠性、电磁兼容性的指标不同，并且对电源的种类直流/交流有要求。电动汽车电子设备的这些要求主要通过功率变换器﹣﹣直流变换器DC/DC、交直流变换器AC/DC、直流交流变换器(逆变器)DC/AC等完成。

PRIUS 混合动力汽车的电力驱动系统

以丰田公司PRIUS混合动力汽车的电力驱动系统为例，该混合动力汽车采用两种直流电源：高压动力200V直流电源：用于储存发电机电能，为车辆电驱动装置提供能量;低压电源：主要为随车负载提供电能。

直流转换器(DC/DC)：直流电压200V降为车用12V或42V直流电源。

逆变器(DC/AC)：PRIUS 混合动力汽车电驱动和发电系统均采用500V交流电，对电动机供电时要将200V直流电升压到500V交流电用于驱动电动机。

整流降压转换器(AC/DC)：在发电机对蓄电池充电时，要将发电机产生的500V交流电转换为200V直流电。

功率变换器在汽车上的应用

2、直流变换器DC/DC

直流/直流变换器(DC/DC)是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。

在电动汽车的电子系统或设备中，系统中的直流总线不可能满足性能各异、种类繁多的元器件对直流电源的电压等级、稳定性的高要求，因而必须采用各种DC/DC变换器将宽范围变化的直流电压变换为稳定性能良好的直流电，来满足电子系统的各种要求。

DC/DC变换器在新能源汽车上的的应用

电动汽车的DC/DC变换器的主要功能是给车灯、ECU、小型电器等汽车附属设备提供电力和向辅助电源充电，其作用与传统汽车交流发电机相似。

DC/DC变换器有升压变换器与降压变换器之分，根据电压调制方式又有脉宽调制和频率调制的区别。

(1)脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM

DC/DC变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压的平均值。

脉宽调制(PWM)：保持周期T不变，改变开关管导通时间即可改变U0;

脉冲频率调制(PFM)：保持开关管导通时间t0不变，改变开关周期T，同样可以改变U0。

PWM和PFM方法是DC/DC最常用的两种方法。

(2)降压型转换器(DC/DC)

降压型转换器(DC/DC)是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。输出电压值与占空比(开关开启时间与整个开关周期之间的比)有关。

(3)升压型转换器(DC/DC)

升压型转换器与降压型转换器所使用的组件类型相同，升压型DC/DC输出电压的高低与开关K的工作周期大小，以及每个周期中开关导通时间ton和断开时间toff的长短有关。

(4)升降压型双向DC/DC变换器

升降压双向DC/DC变换器主要组成为用于降压的开关型IGBT1，用于升压的开关型IGBT2，续流二极管VD1和VD2、感性滤波元件和容性滤波元件。该变换器也被称为两象限双向断路器，两端分别与动力电池和其他设备连接。升降压型双向DC/DC变换器的原理是通过控制周期性地流过感应器电流的时间，来实现想要得到的输出和输入电流之间的关系。