新能源汽车故障诊断技术课件：直流转换器原理与故障诊断

直流转换器原理与故障诊断

直流转换器原理与故障诊断

一、情境引入在一次外出救援工作中，小林遇到一辆纯电动汽车铅酸蓄电池无电引起的无法READY上电行驶，更换新的蓄电池后，不到30分钟，车辆再次抛锚。如果你是接车的技术人员，应如何解决本故障，修理方案应如何制定。二、学习目标能画出纯电动汽车DC/DC转换器的原理图；能说出吉利EV300纯电动汽车DC/DC转换器的位置；能根据DC/DC转换器的原理图诊断DC/DC不输出充电电压故障；能排除吉利EV300纯电动汽车DC/DC转换器不输出充电电压故障；三、素养目标1.培养良好的职业道德，严格遵守本岗位操作规范；2.培养良好的团队精神和沟通协调能力。

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知一、DC/DC功率转换器分类（一）按电压升、降进行分类DC/DC（DirectCurrent，DC）是直流/直流转换器的缩写，是将直流电压变换为直流电压的电子装置。电动汽车中DC/DC功率转换器分为如下两类。1.降压转换器降压DC/DC转换器的作用是将高压锂离子（或镍氢电池）电池的电压降压为12V或24V的电压等级，为12V或24V电系负载供电。例如：直流/直流转换器（DC/DC）保证高压锂离子（或镍氢电池）电池电压在280—400V变化区间内输出稳定的14V或28V电压，分别为12V或24V电系负载（也包括12V或24V等级的铅酸蓄电池）其供电（或充电）。另外，当高压锂离子（或镍氢电池）电池完全放完电之后，汽车已经不能行驶时，DC/DC仍能从高压锂离子（或镍氢电池）电池中吸取能量向电动汽车的内输出稳定的14V或28V电压。有些电动汽车的降压DC/DC转换器有双向DC/DC转换功能。双向功能包括：可将高压锂离子（或镍氢电池）电池的电压降为车上铅酸蓄电池的充电电压；反过来，也可将铅酸蓄电池升为高压锂离子（或镍氢电池）电池的充电电压，为高压锂离子（或镍氢电池）电池充电。

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知2.升压转换器（1）对动力电池电压进行升压：采用DC/DC转换器将蓄电池高压升为更高的直流电压来驱动电机，可提高系统的工作效率。（2）对12V铅酸电池进行升压：在高压蓄电池容量不能驱动汽车时，为了让汽车能开离路面，防止阻塞交通。而采用DC/DC转换器将12V/24V铅酸蓄电池电压升为高压锂离子（或镍氢蓄电池）蓄电池的电压来驱动电机。燃油车和电动汽车的辅助子系统的主要区别：燃油车的辅助蓄电池由与发动机相连的交流发电机来充电，而电动汽车的辅助蓄电池则由主电源通过DC/DC转换器来充电。电动汽车或混合动力汽车中用来推动电动机转动的能量来自于动力蓄电池，动力蓄电池为数块电池串联，电压较高，所以也叫高压电源。（二）按单、双向进行分类1.单向DC/DC单向DC/DC只能向一个方向实现电压转换，多用于将燃料电池的电压升为与其并联的蓄电池电压。2.双向DC/DC双向DC/DC能互相实现电压转换。双向DC/DC多用于将动力蓄电池的电压升压为电机工作电压，或反之。也可以将动力电池的电压降为12V铅酸蓄电池的电压，或反之。

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知（三）从DC/DC转换器技术进行分类1.非绝缘型和绝缘型非绝缘型是电路两侧通过电子元件相连通，绝缘型是电路两侧采用变压器隔离，采用磁能交换。绝缘型DC/DC转换器的换能部件是变压器。变压器由一次侧（输入侧、动力蓄电池侧）和二次侧（输出侧、铅酸蓄电池侧）两种线圈构成。线圈匝数比与电压比成比例。利用变压器改变电压时，变压器需通过交流电压。动力蓄电池是直流电压，DC/DC转换器通过控制芯片控制功率半导体导通、截止将动力蓄电池的直流电压，转换成交流电压。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，负载电容器是为了抑制电压波形的噪声，平滑化输出电压。这两种DC/DC转换器的工作效率都很高，一般为85％～95％，并且适于商用。非绝缘型结构简单、成本低，而绝缘型则能将主电源的高等级电压与辅助蓄电池的低等级电压隔离开来，更加安全可靠。2．全桥型和半桥型全桥型和半桥型，详见第三节。二、电动汽车的用电负荷电动汽车出现后，汽车由原来的发动机、底盘和电气三大系统，增加到发动机、底盘、电气和电力驱动四大系统，其中电力驱动系统包括驱动电机变频控制、电动压缩机变频控制、空调PTC加热控制、DC/DC转

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知换控制等。在电动汽车中，发动机和底盘控制部分采用12V或24V电系供电，但用电负荷较小。而汽车电气系统的基本电气系统和辅加电气系统用电负荷较多。

（一）保留铅酸蓄电池的必要性电动汽车以动力蓄电池为电源，能够利用DC/DC转换器为铅酸蓄电池充电。汽车装备DC/DC转换器之后，可省去原车交流发电机，按说也能省去12V/24V铅酸蓄电池，但实际上还是保留了铅酸蓄电池，这样做有两大原因。1.能够降低整个车辆的成本

铅酸蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅酸蓄电池，通过DC/DC将动力蓄电池的电力用于空调及雨刷会导致DC/DC转换器的尺寸增大，从而使整体成本增加。另外，铅酸蓄电池便宜，因此目前将铅酸蓄电池置换成动力蓄电池（锂等）还没有成本上的优势。2.确保电源的冗余度

铅酸蓄电池还有确保向低压供电的冗余度的作用。DC/DC转换器出现故障停止供电时，如果没有铅酸蓄电池，低压电就会立即停止运行。夜间车灯不亮，雨天雨刷停止运行等，就会影响驾驶。如果有铅酸蓄电池，便能够将汽车就近开到家里或者修理厂。

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知（二）12/24V电气系统负荷在电动汽车上，为了区别12V电系，我们通常将高于60V的直流电压称为高压（这与工业用电和特种产品对高、低压的电压界限是完全不同的）。汽油车通常电气采用12V供电，所以DC/DC降压输出发电机发电时的14伏，对于24V电气系统的柴油车要降压为28伏。电动汽车电气系统的能量消耗比燃油车大得多。各种辅助子系统的功耗如表8-1所示。从表中可以看出，空调器是电动汽车辅助子系统中功耗最大的子系统，它的功耗大约占所有辅助子系统功耗的60％—75％。为了减少空调器的损耗，通常采用120V的电压等级供电。此外，为了避免辅助蓄电池的能在短时间内耗尽，大功率的子系统，如空调器、动力转向系统、液压制动或气动制动和化霜器等，应当只有在接触器闭合时才能工作，这样可以直接从主电源中获取所需的动力。DC/DC转换器的优化容量。优化容量表示电池的充电和放电过程能够相互平衡，而且辅助蓄电池一直保持满充状态。例如：如果选择更大的容量，则充电过程就比放电过程占优势，就会导致DC/DC转换器尺寸过大或者出现辅助蓄电池过充的问题；如果选择小一点的容量，则电池的放电过程就比充电过程占优势，这将会导致辅助蓄电池在紧急情况下使用时失去满充状态。汽车电气用电负荷系统的能耗大约为1kW，所以选DC/DC至少为1kW。若动力转向不采用12V供电，则DC/DC的功率可以减小，但实际中为保险起见通常为DC/DC至少为1.5kW。

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知汽车电气用电负荷系统的能耗大约为1kW，所以选DC/DC至少为1kW。若动力转向不采用12V供电，则DC/DC的功率可以减小，但实际中为保险起见通常为DC/DC至少为1.5kW。表8-1汽车12V系统用电负荷

直流转换器原理与故障诊断任务一DC/DC转换器认知（三）高压用电负荷除了驱动汽车的电机以外，对于大功率的设备通常采用高压供电，如表8-2所示。

一般电动汽车只有一个直流/直流转换器，把高压直流电降压为14V或28V直流。对于高档电动车可以有两个12VDC/DC转换器。一、BUCK型DC/DC变换器实现降压的DC/DC变换器的主电路结构有很多，其中BUCK型DC/DC变换器以其结构简单，变换效率高的特点是首选的DC/DC变换电路拓扑结构之一（注：BUCK译为降压型）。表8-2汽车高压用电负荷任务二DC/DC转换器工作原理技术基础

直流转换器原理与故障诊断DC/DC转换器一般由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管和电容器构成。基本BUCK电路的原理图如图8-1所示，Uin输入电压，Uo是BUCK电路的输出电压，Cin是输入电容，S是主功率开关管，D是主功率二极管，L是储能电感。基本BUCK电路电压L的储能（见图8-2）工作过程:当开关管S（Switch)导通时，电流经负载、电感L、流过电子开关S，电流增加，电能以磁能形式存储在电感线圈L中，同时给负载供电。在这个过程中电容Cin、负载、L、S构成回路。基本BUCK电路电压L的能量（见图8-3）释放过程：当S由导通转为截止时“存储在电感”中的能量释放出来，通过D续流维持向负载供电，此时电感L、续流二极管D和负载构成回路，若周期性地控制开关管S的图8-1基本BUCK型DC/DC电路拓朴任务二DC/DC转换器工作原理技术基础

直流转换器原理与故障诊断导通与关闭，即可实现能量由Uin向Uo的降压传递电路的输出电压Uo=δUin，δ为开关管S的导通占空比。为达到上述降压传递，开关管S与二极管D必须轮流导通与关断，二者之间频繁地进行换流。在FCEV上燃料电池只是由燃料产生电能，而不能储存电能，因此采用了单向DC/DC变换器。FCEV采用的电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不可能接受外电源的充电，电流的方向只是单向流动。FCEV采用的辅助电源（蓄电池和超级电容器）在充电和放电时，也是以直流电的形式流动，但电流的方向是可逆性流动。FCEV上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定状态。为了满足驱动电动机对电压和电流的要求及对多电源电力系统的控制，在电源与驱动电动机之间，用计算机控制实现对FCEV的多电源的综合控制，保证FCEV的正常运行。FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC变换器，蓄电池和超级电容器需要装置双向图8-2基本BUCK型DC/DC的电感储能过程任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-3基本BUCK型DC/DC二极管D续流过程

直流转换器原理与故障诊断DC/DC变换器。二、全桥DC/DC变换器燃料电池发动机输出的电压一般为240～450V，燃料电池的输出电压随着燃料电池输出的电流的增大而减小。另外，由于燃料电池不能充电，因此，配置单向全桥DC/DC变换器，将燃料电池的波动电流转换为稳定、可控的直流电源。全桥DC/DC变换器电路原理图（见图8-4）。全桥DC/DC变换器输入端采用4个带有续流二极管的开关管T1、T2、T3、T4共同组成大功率的直流变交流的单相H型桥逆变器，中部为高频变压器Tr，输出端用4个整流二极管共同组成整流器。在变压器Tr初线圈电路中串联一个电容C2，可以防止变压器的磁偏心。整流输出电路中加入由电感Lf和电容Cf组成的滤波器(f=filter)，将直流方波电压中的高频分量滤除，得到一个平直的直流电压。任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-4绝缘型全桥DC/DC变换器的原理图

直流转换器原理与故障诊断正半波逆变和整流：当导通开关T1先导通时(见图8-5)，在延迟一定的α电位角后再导通开关T4，而T2和T3被截止。T1和T4轮流导通180°电位角。此时电流经电容C2流入，从Tr的初级线圈上端向下流入，在Tr的次级线圈电流向上经DR1、Lf，输出电压UO经DR4回流到Tr的次级线圈。负半波逆变和整流：当导通开关T2先导通时（见图8-6），在延迟一定的α电位角后再导通开关T3，而T1和T4被截止。T2和T3轮流导通180°电位角。此时电流经从Tr的初级线圈下端向下流入，经电容C2流出，在Tr的次级线圈电流向上经DR3、Lf，输出电压UO经DR2回流到Tr的次级线圈。只要改变开关管的导通时间，就可以调节输出电压Uo的值。选择智能控制的大功率全桥DC/DC变换器，可以有良好的自我保护能力和使用寿命。任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-5绝缘型全桥DC/DC变换器T1和T4导通控制

直流转换器原理与故障诊断DC/DC变换器的外特性如图8-7所示，单向DC/DC变换器的控制框图如图8-8所示。根据FCEV的动力性能设计要求，确定DC/DC变换器输出电压的给定值。当燃料电池电流逐渐增大时，电压基本保持平稳，通过对输出电压的闭环控制，实现DC/DC变换器的恒压输出（图8-7中的A—B段）。当燃料电池电流继续增大、电压快速下降时，通过对输出功率控制，实现DC/DC变换器的恒功率输出（图8-7中的B—C段）。由于燃料电池的电压达到下限值要受到所反应的温度、压力和环境等的影响，图8-7的B—C段的功率不能事先给定，而是用此时通过燃料电池的输出电压和电流来测定，并实时对DC/DC的输出功率进行调节，这是保证燃料电池不会发生过放电的关键措施。当DC/DC变换器达到最大输出电流时，电压迅速下降（图8-7中C—D段）为恒电流段，其电流值决定DC/DC变换器的最大输出电流。任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-6绝缘型全桥DC/DC变换器T2和T3导通控制

直流转换器原理与故障诊断控制芯片控制功率半导体导通、截止。调制方式有PFM（脉冲频率调制方式）和PWM（脉冲宽度调制）两种方式。PFM调制时开关脉冲宽度一定，通过改变脉冲输出的时间，使输出电压达到稳定。PWM（脉冲宽度调制）方式开关脉冲的频率一定，通过改变脉冲输出宽度，使输出电压达到稳定。通常情况下，采用PFM和PWM这两种不同调制方式的DC/DC转换器的性能不同点如表8-3所示。任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-7DC/DC变换器的外特性图8-8DC/DC变换器的控制框图表8-3两种不同调制方式转换器的性能不同点

直流转换器原理与故障诊断PWM调制方式。在选用较低频率的情况下，小负载时，效率较高，输出电压的纹波较大。在选用较高频率的情况下，小负载时，效率很低，输出电压的纹波较小。因此，在小负载或待机时间较长的情况下，选用低的频率，转换电路的效率较高，但若考虑输出电压的纹波问题，若选用高的频率，纹波电压会较小。DC/DC转换器通过开关动作进行升压或降压，特别是晶体管或场效应管处于快速开关时，会产生尖峰噪音，以及电磁干扰。三、

双向DC/DC变换器在以蓄电池和超级电容器组成的混合电源上，一般蓄电池以稳态充、放电的形式工作，而超级电容器在电动车辆起动时，能够以大电流的放电形式工作，在接受外电源或制动反馈的电能时又能以大电流的充电形式工作。蓄电池和超级电容器的电流为双向流动，因此，在蓄电池和超级电容器与电力总线之间装置双向、升降压（Buck-Boost）型DC/DC变换器，双向控制和调配所输入和输出的电流。升降压双向DC/DC变换器电路如图8-9所示，其中：电池(Ubus)端与输出的变频器相连。变频器（或车载充电机）给电池和电容的充电过程：双向DC/DC变换器处于充电工况时（图8-10），导通开关T1彻底切断，开关T2处于导通和断开的控制中，来自变频器的制动反馈的电流或来自车载充电机的充电电流，经由动力总线先向蓄电池充电，再向超级电容器中充电。在通过电感L1时，部分电流暂时存留在电感L1中，当导通开关T2断开后，电感L1中存留的电流通过整流二极管D2转存在电容器C中。双向DC/DC任务二DC/DC转换器工作原理技术基础

直流转换器原理与故障诊断变换器在对超级电容器充电时处于降压（Buck）状态。在超级电容器电路上装置电感L1还可以减小进入超级电容器线路的电流脉冲。电池和电容给变频器供电过程：双向DC/DC变换器处于放电工况时，开关T2彻底切断，导通开关T1处任务二DC/DC转换器工作原理技术基础图8-9非绝缘型双向DC/DC电流变换器电路图8-10电池(Ubus)给电容(Uscap)充电电流流向图8-11电容放电前的先行给电感L1储能电流流向图8-12T1管断开电感L1升压给电池(Ubus)充电

直流转换器原理与故障诊断于导通和断开的控制中（见图8-11）。蓄电池电压高，先行向左放电。超级电容器放电要经过电感L1先储能（见图8-12）后能量释放两个过程。储能过程：开关T1导通，L1电感有电流流过实现电感储能。电感的能量释放过程：是T1断开的瞬间，L1自感电动势提高电压后经D2二极管，经电感L2给变频器供电。电流方向是由超级电容器向动力总线方向流动，DC/DC变换器对外放电处于升压（Boost）状态。在总线电路上装置电感L2可以减小进入总线的电流脉冲。一、DC/DC转换器控制框图如图8-13所示，DC/DC转换器将电动汽车蓄电池的公称电压直流降至大约公称直流电压12V（实际是14V），从而为电气零部件供电，并为12V蓄电池再充电。有些电动汽车为调节DC/DCC转换器的输出电压，动力管理控制EV-ECU根据12V蓄电池温度传感器信号将输出电压请求信号传输至DC/DC转换器。DC/DC转换器通过CAN或串行通讯实现自诊断信息外传和控制信息下载。二、降压型转换器工作原理典型的降压转换器如图8-14所示，车辆的辅助设备，如车灯、音响系统、空调系统(除空调压缩机)和任务二DC/DC转换器工作原理技术基础任务三

电动汽车DC/DC工作原理与检修

直流转换器原理与故障诊断ECU，它们由DC12V的供电系统供电。由于纯电动汽车动力电池电压标称等级一般为为300—650伏之间，比较常见的有的330V、400V和650V。因此，需要降压转换器将这个电压降低到DC14V来为12V蓄电池充电。这个转换器安装于变频器的下部。其工作原理如下：1.DC/DC上电过程：在点火开关（或一键式供电开关）打到READY时，系统主继电器SMRG和SMRP（预充继电器）先工作，完成C1电容的预充过程。当电容C1电压接近锂离子电池电压时，SMRB继电器工作，同时SMRP继电器退出工作。任务三

电动汽车DC/DC工作原理与检修图8-13典型DC/DC转换器控制

直流转换器原理与故障诊断2.直流交流转换：DC/DC转换器的控制电路控制晶体管T1、T3工作（见图8-15)，此时通过L的电流由上到下。然后再控制T2、T4工作（见图8-16），此时通过L的电流由下到上。从而将直流变换成交流。3.降压过程：由于通过电感L为交流，在两个次级电感线圈L1和L2里感就出交流电，由于线圈匝数较少，所以电压输出较低。4.整流过程：D1和D2实现两个线圈的半波整流。5.滤波过程：电感L0和电容C2用于滤波，实现电流平滑给铅酸蓄电池充电，从GND构成回路。6.控制过程：DC/DC转换控制电路根据输出的电压反馈进行电压输出控制，以满足晶体管T1、T3和T2、T4的换流控制。任务三

电动汽车DC/DC工作原理与检修图8-15DC/DC转换器T1和T3导通控制图8-16DC/DC转换器T2和T4导通控制

直流转换器原理与故障诊断7.通讯过程：DC/DC转换控制电路通过CAN与EV-ECU通讯实现DC/DC自诊断的输出，同时针对用电负荷增加，可先于电压反馈进行控制。三、DC/DC转换器的电压及电流测试1.DC/DC转换器的电压测试DC/DC转换器的电压测试是一个非常重要的测试：当一键供电开关打到READY挡时，正常DC/DC转换器的电压应在14±0.5V，如果电压仍为蓄电池电压，说明DC/DC转换器未工作或自身有损坏故障，先排查低压供电和控制线，若低压供电和控制正常则说明DC/DC转换器自身损坏。2.DC/DC转换器的电流测试DC/DC转换器的电流测试是检验DC/DC性能好坏测试：在DC/DC转换器的输出电压应在14±0.5V时，通过打开灯光、鼓风机等大电气负载测试DC/DC转换器的性能。在没有本数据流的情况下，要通过万用表和电流钳进行DC/DC转换器输出电压和电流的测试。任务三

电动汽车DC/DC工作原理与检修

直流转换器原理与故障诊断一、填空题1.DC/DC（DirectCurrent，DC）是

的缩写；2.降压DC/DC转换器的作用是将高压锂离子（或镍氢电池）电池的电压降压为

V或

V的电压等级，为12V或24V电系负载供电；3.单向DC/DC只能向一个方向实现电压转换，多用于将燃料电池电压

为与其并联的蓄电池电压；4.双向DC/DC多用于将动力蓄电池的电压升压为

工作电压，或反之；5.BUCK译为

，BOOST译为

。

二、判断题1.燃料电池的输出电压随着燃料电池输出的电流的增大而减小（

）；2.燃料电池不能充电（

）；3.FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC变换器（

）；4.蓄电池和超级电容器需要装置双向DC/DC变换器（

）；5.全桥DC/DC变换器输入端采用4个带有续流二极管的开关管T1、T2、T3、T4共同组成大功率的直流变交流的单相H型桥逆变器（

）；本项目理论工单

直流转换器原理与故障诊断三、单选或多选题1.DC/DC转换器一般由（

）组成。A.控制芯片B.电感线圈C.二极管D.三极管（开关管）E.电容器2.控制芯片控制功率半导体导通、截止的调制方式有（

）；A.PFM（脉冲频率调制方式）B.PWM（脉冲宽度调制）

C.PFD（脉冲频率调制方式）D.PWA（脉冲宽度调制）

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