汽车开关（通用8篇）
汽车开关 篇1
摘要：分主要分析传统式中蓄电池点火系中点火开关的分类, 重点讨论三段式点火开关的接点接续中式样的设计要求与试验的要求。三段式点火开关每一档位的功能并提供了个人关于机械式点火开关内部设计的一些参考经验值。
关键词：点火开关,设计要求,三段式,接触片,导通
1 说明
传统的点火系统车型的功能是方向盘锁通过锁止方向盘轴的同时实现汽车的点火开关的启闭。这种点火开关用依据它的变换段数可分为以下几段式。
(1) 三段式:此型式为常用, 可分为LOC KorOFF、ACC、ON、ST四个接触位置如图1, 有三段的作动行程, 因其接触点位置多, 但安全可靠, 电气系统的功能也较为齐全, 适用于轿车。
(1) 当钥匙转到第一档ACC是接通低电流电源, 在这个档可以使用音响, 有些车还可以用电窗、点火器、遥控后视镜、等电动部件, 但与行车系统的在这个档不会接通, 发动机熄火, 而方向盘锁止取消, 可以转动。
(2) 当钥匙转到第二档ON是接通行车有关的电器设备, 例如电动的油泵, 还有A BS、气囊、风扇、雨刷、清洁器、空调温度系统等各系统, 所以你会看到仪表板上亮起很多灯。各电器自检通常需要4s、5s, 所以你稍微等久一点, 大部分灯号都会熄灭的, 只剩下表示车辆正处于熄火状态的个别灯号。在此档位可正常驾驶, 需注意在发动机未起动前, 此档不可长久放置, 特别是柴油机未起动前, 在此位置预热1s～2s (预热指示灯熄灭后) 即应起动。
(3) 在ACC、ON两档之间可以快速切换, 但到了ON就应该停留几秒, 再扭到ST ART启动。待发动机接合起动后, 应松开点火钥匙, 让其自动回到ON档。在发动机运转后, 不要将点火钥匙再旋转至START位置。重新起动时, 应将点火钥匙转到OFF位置或ON位置停留, 汽油机至少10s, 柴油机至少20s后, 方可重启。否则, 点火开关内接触片会产生高压电弧, 瞬间击穿或磨损接触片, 影响功能使用和寿命。
(2) 四段式:可分为LOCK、OFF、ACC、O N、ST五个接点, 其中OFF接点并无电气作用, 其主要功能在于防止钥匙的拔脱致使锁定销弹出, 将方向盘锁住而造成危险, 此型式的起动开关的钥匙回转角度较大, 操作上不符合人体功能, 比较少用。
2 三段式点火开关的设计功能
2.1 正确的旋转角度
即接点位置在于提供各接点的导通位置, 须与主体的锁仁旋转角度相互配合。而点火开关的导通主要是通过接触片的旋转与铆钉接触而导通, 如图2详解接触片与铆钉的导通角 (范围) , 正常情况下耐久前角度公差为±5°, 耐久后角度公差为±8°。B1与B2与电池相接地。IG1与IG2只是ON档分两路负载供电。
下面提供一些点火开关的设计经验值, 供同行参考。
(1) 接触片的内孔与转外径搭配间隙0.1mm～0.2mm。
(2) 弹簧弹力的稳定力, 即要让弹簧相对固定, 如放入孔中;主要是防接点闪烁。这样要求弹簧安装孔与弹簧外经搭配间隙0.1mm～0.2mm。
(3) 接触片与铆钉接触时, 各接点的初始接触力或保持力1500±350g, 除了防接点闪烁外, 还有耐久性的要求。
2.2 操作感, 在整个作动范围中, 操作须圆
滑, 不可有阻滞现象, 除S T A R T档的接点外, 其他位置要有明确的段落感。转向锁档位转换灵活、准确
而钥匙从ON转到START档后, 能自动复位, 不允许出现复位失灵和超越档位现象。
2.3 钥匙插入点火开关操作转动扭力
依产品的规范而定, 须与主体上其他机构配合设计, 以标准式样的规定值, 一般LOC K-ACC-ON的转动扭力在0.15N·m～0.4N·m范围, ON-START的转动扭力≥0.65N·m。
2.4 电气性
依产品的规定式样而定, 一般包含接点接续、接点压降、绝缘抵抗、绝缘耐压等项目。
接点压降, 对点火开关通以10A电流, 电压降:耐久前:≤0.15V, 耐久后:≤0.25V。绝缘耐压, 开关之各端子间及各端子与外壳加550V50Hz通电时, 须耐久1min以上而不被击穿。导通闪烁, 在三段式的每一接点导通过程中 (ACC～ON～ST) , 且在于温度-30℃～80℃内其接点断电时间, 一般10msec以内。 (即10×10-3s之内) 或以目视与闪烁为判定标准。
2.5 耐久性
即本体系统的使用寿命, 包含回位弹簧及接点的耐久, 须符合产品的要求。 (一般为50000cycles, 1cycle为钥匙插入→LOCK档→AC C档→ON档START档→ON档→→ACC档LO CK→钥匙拔出) 转速:10～20次/分。
2.6 耐热循环性
一般情况下是-10℃～65℃进行10个温湿度循环, 每个循环24h。
3 结语
点火开关的设计是保证汽车安全点火中重要的安保件。产品质量是设计出来的, 不断积累设计经验, 来提高设计水平是设计工作的重要一环。
参考文献
[1]高群钦, 满维龙.汽车维修实用手册[M].安徽科学技术出版社, 2007, 1.
[2]中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所.汽车工程手册[M].吉林科学技术出版社, 2000, 2.
[3]闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业出版社, 2010, 1.
汽车开关 篇2
摘要：双向DC/DC变换器作为电动汽车能量控制的关键性元件，是复合电源储能系统中不可或缺的重要部件之一，鉴于不同的双向DC/DC变换器拓扑结构的选择能够影响其成本的高低、性能的好坏，以电压、电流应力最小的双向半桥变换器为基础，采用不添增额外半导体器件的软开关技术，有效的减小器件的开关损耗，并选取两相交错式拓扑结构来弥补输出电压、电流纹波大的缺点，在双向Dc/Dc变换器中采用两个电流内环并共用一个电压外环的控制策略，通过仿真实验验证了该变换器能够实现对能量双向流动的稳定控制，具有零电压、零电流开关，输出电压、电流纹波小的优点，
关键词：双向DC/DC变换器；软开关技术；开关损耗；控制策略
DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.016
中图分类号：TM46
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0083-07
0引言
目前市场上的纯电动汽车绝大多数是以单一蓄电池为主能量源来驱动汽车的工况运行，而复合电源储能系统对于纯电动汽车的发展是一次质的飞跃，它能够提高电动汽车的续驶里程，减少蓄电池的大电流放电，从而起到节约资源、延长蓄电池使用寿命的作用，在电动汽车的工况运行中，双向DC/DC变换器能够抬高超级电容的输出电压以获得稳定可靠的直流母线侧电压，另外，在电动汽车制动的情况下，还可以通过双向DC/DC变换器将电动机的能量回馈到超级电容，从而增加电动汽车的续驶里程。
与几种经典的双向DC/DC变换器进行对比发现，双向半桥式DC/DC变换器所用的开关元件和二极管的电压、电流应力较小，并且只需一个电感就可以储存和释放能量。但如果将其运用在大功率负载情况下，所需开关管的等级较高，电感较大，则变换器的体积也相应增大。为了弥补上述缺点，本文以双向半桥式DC/DC变换器为基本单元，采用不添增额外开关器件的软开关技术，降低开关器件的功率等级，减小电感电流纹波，并有效的减小器件的开关损耗，提高变换器的工作效率，
2.双向DC/DC变换器的拓扑结构和控制策略
2.1双向DC/DC变换器的拓扑结构和工作原理
本文采用两相交错式双向DC/DC变换器拓扑结构，由两个基本半桥式双向DC/DC变换器交错并联构成，拓扑结构图如图1所示，在图1中，高压侧Vh为直流母线侧电压，低压侧Vl为超级电容侧电压，
采用两相PWM控制信号，每个单元的开关控制信号相差1/2个周期，且每个周期的导通时间相等，从而电感电流也互错叠加，纹波减小到原来的二分之一。
当变换器正向运行时，下方开关管Sd1、Sd2处于导通状态，与上方开关管Su1Su1共同构成升压模式；当变换器反向运行时，上方开关管Sd1Sd2处于导通状态，与下方开关管Sd1Sd1共同构成降压模式。
为了实现软开关的目的，变换器在实际的运行过程中为上下方开关管的驱动信号加入了死区时间，此时电感相当于独立电流源，使上下方开关管分别并联的小电容在死区时间内能够进行能量交换，从而实现零电压开通和零电流关断，以单相半桥式为例，对降压运行模式进行分析，升压运行模式同样适用，单相半桥式双向DC/DC变换器拓扑结构如图2所示。
图2中，规定其电压电流的方向为正方向，Cl为低压侧滤波电容，Ch为高压侧滤波电容，Du和Du分别为上下方开关管SU和sd反并联的二极管，Cn和Cd为上下方开关管分别并联的小电容，高压侧%接电动机负载，低压侧VL接超级电容，当电动机处于制动状态下，电动机反馈的能量从高压侧vh经过变换器进行降压，传向低压侧Vl给超级电容充电，此时，sn为主开关，SD为辅助开关，图3给出降压运行模式下的波形图。
图3中，Vsu、Vsd分别为Su和sd的驱动信号，il为电感电流。
1）当to≤tCl时，如图3中，由于变换器工作在电感电流正负交替的状态下，电感L值较小，在t0时刻，il为负的最小值获取关断信号，即进入死区时间，此时Cd处于充电状态，Cn处于放电状态，当小电容完全充放电后，即进入tn-tl阶段，电感电流il流经上方二极管Du，此时开关管su工作在零电压开通（zVS）条件下，相应降低了开关管sd。的开关损耗，此状态直到开关管su拥有导通驱动信号为止。
2.2双向DC/DC变换器的控制策略
由于电动汽车在实际运行过程中频繁工作在加速、减速状态下，此时电动机的转速范围较宽，如果用蓄电池组直接驱动电动机运行会导致电动机的驱动性能严重恶化双向DC/DC变换器可以在负载发生变化或蓄电池组允许的输出电压范围内使电动机的驱动性能得到显著提高，本文对双向DC/DC变换器采用电压外环PI调节，避免负载突变对直流母线侧电压产生较大影响，保证母线电压快速达到稳定状态。
另一方面，在电动机突然制动状态下，大量由机械能转化来的电能会产生较高的反电动势，采用双向DC/DC变换器的降压模式，可将电能以低电压、大电流的形式回馈给电池组，以可调控的方式对电池组进行充电，故采用电流内环PI调节，本文根据前面的研究，所选用的电压电流双闭环控制模式如图4所示。
在每相基本半桥变换器中添加独立的PWM发生器模块，当在某个基本单元变换器存在故障时，两相交错式结构变换器仍可以继续工作，
汽车驾驶员在实际驾驶车辆的过程中，常通过踩油门、踩刹车、换挡位等对电动机发出运行指令，当电动机运行在电动状态下，双向DC/DC变换器采用通道1，变换器工作在升压模式，根据电动机的运行参数进行实时调节；当电动机运行在紧急制动状态下，双向DC/DC变换器采用通道2，使变换器工作在降压模式，根据超级电容给定的充电电压，实现电能回馈。
3.双向DC/DC变换器的仿真分析
针对电动汽车在实际行驶过程中频繁加速、减速和起动、制动，为验证所选变换器的拓扑结构是否合理，本文采用的参数如表1所示。
3.1Boost模式下双向DC/DC变换器的仿真分析
如图5所示为搭建的双向DC/DC变换器主电路的仿真模型，图6所示为变换器控制器CON—TROIJ，ER的子控制模型，为了简化变换器的控制量，内环采用总电流控制，外环采用输出电压控制，同时参照图1的总拓扑结构图加以分析。
图7所示分别为il、il1、il2的电感电流波形，电感L1和L2过零交替导通，主电路电流il的纹波是单个电感电流的1/2，有效的弥补了输出电流纹波大的缺点，同时，主电路的输出电流为20 A左右，是单个电感工作时的2倍，完全满足最大输出功率的要求，从而进一步增加了变换器的效率。
开关管MOSFET的电压、电流波形如图8所示，因本文选用的是MOSFET与续流二极管的整体模型，所以仅测出其整体模型下的电压电流波形，其截止电压即为输出电压，由于MOSFET开关管中存在导通电阻，在开关管导通时，其电压随着流过MOSFET的电流而逐渐增加，在MOSFET获取导通信号时，由于存在电流反向，MOSFET并不马上导通，而是等到电流过零变为正时，MOSFET实现ZCS，有效的降低了开通损耗。
超级电容的放电波形图如图9所示，在变换器的工作状态下，超级电容的端电压逐渐降低，在Boost模式中，图10、11、12、13所示分别为输入电压等于10、15、18、21，6 V时所对应的输出电压波形，超级电容作为输入动力源，其放电瞬间会产生较大超调，通过变换器的控制，在1ms内输出电压可达到稳定，图14所示为Boost模式下的输出电压波形，从波形图可以看出输出电压纹波小于5%，符合变换器的最初设计。
2.2 Buck模式下双向DC/DC变换器的仿真分析
Buck模式下的工作过程与Boost模式类似，图15为Buck模式下的总电流和单个电感电流波形，il1、il2正负交替导通，主电路的总电流i。的纹波是单个电感电流的1/2，有效的弥补了单相输入电流纹波大的缺点，
在Buck模式下MOSFET的电压电流波形如图16所示，MOSFET基本处于截止状态，当其获取导通信号时，因电感电流反向，电感电流经过二极管续流，此时MOSFET两端的电压为0，实现了ZVS，从而降低了导通损耗。
在Buck模式中，不同的超级电容端电压所对应的充电电压波形如图17、18、19所示，超级电容采用恒压充电，因负载侧的电压波动较大，将超级电容的充电电压稳定在18 V，考虑到在变换器起动瞬间，超级电容保存有一定的电压和电荷，则必然存在起动瞬间的放电过程，在5 ms内充电电压在许可范围内波动，随后电压保持稳定状态，由图20可看到超级电容的输入电压纹波小于5%，满足变换器的最初设计。
4.结论
本文为复合电源储能系统提供了一种采用软开关技术的高效率双向DC/DC变换器拓扑结构，与传统的双向DC/DC变换器相比，它的优点如下：
1）设计电感电流正负交替导通，不添加额外的半导体器件，实现主辅开关的零电压导通和反并接二极管的零电流关断，使变换器的工作效率得到提高，并且采用两相交错式结构有效的降低了电感电流的纹波。
2）采用电压电流双闭环的控制方式，即采用一个电压外环和两个电感电流内环，使得总电流反馈的响应速度较快，提升了变换器的可靠性和安全性。
牵引汽车省油开关优化设计 篇3
本论文以“6×4”牵引汽车为例,通过AVL-CRUISE软件对牵引汽车进行仿真计算,对某款发动机进行多功率段优化设计,在牵引汽车不同的装载情况下,选择相应的最佳功率段进行匹配,从而减少牵引汽车的百公里燃油消耗量[1]。
1 仿真模型建立与整车参数
AVL-CRUISE软件是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件。AVL-CRUISE软件通过车身、发动机、离合器、变数器、差速器、主减速器、轮胎和驾驶控制等模块根据相关连接方式,组合并搭建成整车仿真模型,根据车辆情况将整车参数、总质量与轴荷参数,以及滑行试验数据等参数输入模型中,然后在计算项目中的全负荷加速性能计算任务和稳态行驶性能计算任务等计算车辆的动力性和燃油经济性[2]。
1.1 建立仿真模型
在本论文中,6×4牵引汽车在平直路面通过循环计算任务模拟不同发动机功率的综合油耗。
根据6×4牵引汽车的整车布置明细,在AVL-CRUISE软件中建立其仿真分析模型(如图1),并将影响汽车动力性和经济性的相关主要数据输入到模型的各模块组件中。
1.2 整车参数
由于本论文主要是优化发动机功率段,从而获得牵引汽车在不载荷下的动力性和经济性性能。同时,作为汽车动力性和燃油经济性的影响因素很多,并且非常复杂。因此,为了简化6×4牵引汽车仿真建模计算,此次建模主要涉及的整车参数及主要总成参数详见表1所示,以及未设置省油开关的发动机万有特性详见如图2所示。
2 省油开关优化设计
2.1 省油开关设计方案
根据驾驶员载荷情况,将6×4牵引汽车分为三类工况,即空载、半载和满载,对于380Ps的发动机,通过改变发动机的特性参数,使其功率、最大扭矩、最大转速分别匹配相应的载荷,如表2所示。
因此,三种功率段的发动机万有特性如图3。
2.2 省油开关仿真分析
由于重型汽车燃油消耗量的测量方法很少,本文采用六工况法进行仿真计算[3]。在AVL-CRUISE软件中根据CYCLE计算任务仿真计算六工况循环的综合油耗。牵引汽车空载和半载时,相应发动机功率段的综合油耗,如表3所示。从表3可以看出,空载时,采用发动机功率段采用250Ps的综合油耗比未设置省油开关的发动机功率380Ps减少1.89L/100km,节油7.6%;半载时,采用发动机功率段采用310Ps的综合油耗比380Ps减少1.56L/100km,节油4.2%。
3 结论
通过对本文的研究,在牵引汽车中设置省油开关,增加发动机的功率段,匹配不同载荷,利用AVL-CRUISE软件进行仿真分析,确定了牵引汽车在空载、半载和满载所对应的功率,尤其是在空载时可省油7.6%,从而节省了用户的运输成本。
参考文献
[1]王丽荣,上官云飞.基于Cruise自卸车动力经济性仿真分析与优化[J].专用汽车,2007,4.
[2]余志生.汽车理论(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
汽车开关 篇4
1 汽车电气系统的发展
早期的汽车上根本就没有电气装置。大约在1900年, 随着磁电机的发展并应用到汽车技术上, 才出现了电点火, 继而又出现了感应线圈点火装置。1912年, 研制出照明装置和起动机。1930年, 一种能够根据蓄电池充电状况来控制发电机输出的直流发电机调节器研制成功, 改善了对蓄电池的损坏程度。20世纪60年代初期, 汽车交流发电机出现后, 又研制出不论汽车是在何种行驶状态下都能对蓄电池保持适当充电量的装置。20世纪50年代中期, 由于将汽车电气系统的电压改为12V, 而使汽车上的电气装置安全可靠、效率提高。随着电子信息业的飞速发展, 使得现代汽车的电气系统发展越来越快, 而且越来越完善。
2 汽车电气开关的作用与分类
开关是汽车电气系统中不可缺少的重要部件。开关的作用主要是用来控制汽车的各种电气设备。开关的性能必须安全、可靠、耐用且便于操纵。开关的种类及结构形式种类繁多, 分类方法目前不太统一, 若按照操纵方式可分为手动和电动两类;若按开关的功能特点可分为纯机械多功能手动开关或手、脚、电间接混合控制开关。近年来, 汽车采用的电气开关多为多功能手、脚、电混合控制开关。开关的种类虽然很多, 但对开关使用性能的要求一致的, 即开关必须具有如下共同的性能。
(1) 汽车电气开关必须安全可靠开关是否安全可靠对正常工作来说是至关重要的。比如, 在操纵开关过程中, 不应有对人产生任何伤害的可能性;还应保证不发生由误操作或因开关可靠性而导致的对汽车电气设备的破坏。同时开关本身应具有一定的抗过载能力, 以提高开关的使用寿命及可靠性。
(2) 汽车电气开关的操纵性开关必须便于驾乘人员操纵, 且有一定的机械强度。比如, 由驾驶员操纵的开关必须安装在与驾驶员双手或双脚便于操作的地方:必须由乘车人员来操纵的开关, 要求便于乘车人员操纵, 还要有特殊标记, 以提示乘车人员操作方法, 以避免误操作。
3 电力电子功率开关
感应加热电源技术通过晶闸管、功率晶体管、功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管等电力电子功率开关器件, 将供电网络50Hz的工频电源变换成400Hz～200kHz的中高频电源。由于它具有灵活的控制方式、输出功率大、机组效率高、变换运行频率方便等优点, 在工业生产中得到了广泛的应用。电力电子功率开关器件是感应加热电源技术的基础, 是感应加热电源装置的心脏。感应加热电源装置的主功率开关器件决定着系统装置的体积、重量、效率、控制方式、工作性能和系统可靠性。每当一种新型功率开关器件的研发成功, 都会促使诞生新一代的感应加热电源装置。
常用的电力电子功率开关器件有单向晶闸管、可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等, 每种功率开关器件又根据不同的工作参数和用途, 分成多种系列和不同型号规格的产品;在实际应用中, 应根据产品的极限参数、工作参数、性能特点、控制方式及附加电路的繁简, 经综合考量后确定所选器件的型号规格。新兴的电力半导体模块是把两个或两个以上的电力电子功率开关器件的芯片按一定的电路连接, 与辅助电路共同封装在一个绝缘树脂外壳内制成。由于功率开关器件的模块化, 使各种电力电子装置的效率、体积、重量、性能、可靠性和价格等技术指标和经济指标得到进一步改善和提高, 因此当前晶闸管模块、大功率晶体管模块、功率场效应管模块、绝缘栅双极型晶体管模块得到蓬勃发展和广泛应用。在晶闸管模块的基础上, 将晶闸管移相触发电路与保护取样传感器电路共同封装为一体, 制成了晶闸管集成智能模块 (ITPM) , 从而使电力电子装置的体积进一步缩小, 可靠性进一步提高, 安装维修更加方便, 使用操作更加简单。国内临淄银河公司已研发出大电流全控型整流逆变、交流电动机软启动、双闭环直流电动机调速等专用晶闸管智能模块。在绝缘栅双极型晶体管模块的基础上, 把绝缘栅双极型晶体管芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路及自诊断电路等封装为一体, 制成绝缘栅双极型晶体管智能控制模块 (IPM) 。它为电力电子逆变器高频化、小型化、高性能和高可靠性奠定了器件基础。
绝缘栅双极型晶体管智能控制模块采用标准化的逻辑电平栅控接口, 使与控制、显示、操作板的连接更为方便。绝缘栅双极型晶体管智能控制模块的显著优点是故障状态下的自我保护能力强。因而降低了功率开关器件的损坏几率, 大大提高了整机的稳定性和可靠性, 减少了维修工作量, 增加了无故障工作时间。为了适应微机控制和大容量工业电力变流装置和电动机驱动的要求, 在绝缘栅双极型晶体管智能控制模块的基础上把变流装置的全部硬件集成在同一芯片上, 开发出高集成化、智能化、标准化、适合各种不同应用要求的用户专用功率模块 (ASPM) , 如绝缘栅双极型晶体管逆变专用功率模块就是把逆变装置的整流器、逆变器的绝缘栅双极型晶体管和FWD、制动绝缘栅双极型晶体管及快速二极管集成在一个芯片上, 不再用额外的引线连接, 因而体积小、重量轻、系统成本低、寄生电感小、可靠性更高。
4 结语
开关是汽车电气系统中不可缺少的重要部件。开关的作用主要是用来控制汽车的各种电气设备。开关的性能必须安全、可靠, 耐用且便于操纵。当前, 采用混合封装形式的智能电力电子功率模块 (IPEM) , 在技术性和经济性方面都显示出了强大的优势。新型的电力电子功率开关器件将沿着高频化、智能化、大功率化和高集成模块化的方向快速发展, 也必将在汽车电气系统中起到更稳定更高效的作用。
摘要：汽车的电气系统经过近百年的发展历史, 已经成为现代汽车功能性、可靠性和安全性的必要保证。本文简要介绍了汽车电气系统的发展, 分析了汽车电气开关的分类与作用, 深入探讨了电子功率开关及其在汽车电气系统中的应用。
关键词：汽车,电气系统,电子功率开关
参考文献
[1]汽车用基础电子元器件:传感器、控制器、执行器发展趋势[J].实用汽车技术, 2008 (1) .
[2]陈春, 王友龙.电子功率开关在汽车电气系统中的应用[J].汽车电器, 2010 (8) .
汽车开关 篇5
目前, 随着我国汽车工业的快速发展, 汽车已大量地进入家庭, 汽车已逐步替代了其他的交通工具, 成为城市、乡村的主要交通工具, 随着我国汽车保有量的急剧增加, 道路拥挤现象明显上升, 交通事故频发。由于汽车车门突然开启, 过往的机动车及行人来不及避让而引发的交通事故时有发生, 现有技术中没有提供相关的车门开控关装置, 因此提供一种汽车自动控制车门开关装置以预防和减少由于汽车车门突然开启使过往的机动车及行人来不及避让而引发的交通事故的发生已迫在眉睫。
2 自动控制开关车门装置的原理
机械原理:利用双向伺服电机, 传动齿轮, 传动齿条, 中央控制模块, 雷达发射器, 雷达接收器, 发射接收天线, 组成中央控制系统, 当遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启过程中的车门, 避免事故发生。电子控制原理:就是利用雷达传感器给中央控制模块提供车门开启过程中, 车门其他物体距离信号, 速度信号, 角度信号, 当物体接近时, 中央控制模块根据这些信号, 与中央控制模块内部存储的数据进行对比, 确认车门的当前位置, 然后向伺服电机发出指令, 伺服电机执行中央控制模块的指令 (电机正转或反转) , 车门自动开启或关闭。
(1) 当车内人员拉动车门内拉手时, 车门锁块打开, 汽车车门角度传感器既给中央控制模块一个角度信号, 中央控制模块接收信号后给伺服电机发出指令, 伺服电机转动, 车门自动打开。车门打开至最大极限时伺服电机停止工作, 车门停在最大开度, 10 s后, 中央控制模块给伺服电机发出指令, 车门自动关闭, 车门锁块自动锁止, 或使用遥控器关闭车门。
(2) 当车外人员要进入车内时, 使用遥控器开启车门, 车门自动打开, 当人员进入车内后, 10 s车门自动关闭, 或拉动一下车门内拉手, 车门内拉手触点接通伺服电机工作, 车门自动关闭。
3 自动控制开关车门装置的实施
一种汽车自动控制车门开关装置 (图1) 包括弧形齿条1、齿条固定件2、传动齿轮3、双向伺服电机4、以及安装在汽车门处的中央控制模块 (ECM) 5、雷达发射器6、雷达接收器7、发射接收天线8和滤波器9, 弧形齿条1位于汽车车门10与汽车车体铰接处, 弧形齿条1的一端通过齿条固定件2固定在汽车车门口一侧车体上 (车体上与车门对应的位置) , 弧形齿条1的另一端悬浮且插装在汽车车门相应位置开有的限位槽内, 并与传动齿轮3啮合;双向伺服电机4固定在汽车车门上, 传动齿轮3安装在双向伺服电机4输出轴上, 双向伺服电机4驱支传动齿轮3在弧形齿条1的齿面上做顺时或逆时针转动, 通过伺服电机正转或反转转动带动车门开或关;雷达发射器6的波束发射端信号经发射接收天线8传递给雷达接收器7, 滤波器9用于将雷达接收器7接收的反射的回波信号转换成电压信号后给中央控制模块5提供电信号, 中央控制模块5接受电信号后向伺服双向电机4发出指令, 伺服双向电机转动控制车门的开启、关闭。
双向伺服电机4通过线束与中央控制模块 (ECM) 5连接, 接受中央控制模块 (ECM) 5控制, 雷达发射器6和雷达接收器7安装在汽车仪表台上11, 并与发射接收天线相连接, 雷达接收器7接收到波束通过滤波器9, 最终传递给中央控制模块 (ECM) 5, 中央控制模块 (ECM) 5, 再给双向伺服电机4发出指令, 完成自动控制。
4 自动控制开关车门装置的实用价值
自动控制车门开关装置适用于任何车辆, 应用面广, 具有较高的实用价值, 推广价值, 该装置利用伺服双向电机, 传动齿轮, 传动齿条, 中央控制模块, 雷达发射机, 雷达接受机, 发射接收天线, 形成自动控制系统, 受中央控制模块的控制, 雷达发射器通过天线向各侧车门方向发射波束, 再由接收器接受反射的回波, 通过回波分析测定接近物体的角度, 距离, 时速。再由滤波器转换成电压信号, 给中央控制器提供电信号;中央控制器接受电信号后伺服双向电机发出指令, 伺服双向电机转动, 控制车门的开启和关闭。当有人或车辆超出设定的范围时, 雷达传感器就给中央控制器发出信号, 中央控制器接受到位置信号后, 向伺服电机发出指令, 伺服电机启动, 车门快速关闭, 避免与人或车辆相撞。通过雷达发射器发射波束, 接收器接受反射的回波, 滤波器转换成电压信号, 给中央控制器提供电信号, 中央控制模块接受信号再给伺服双向电机发出指令来完成汽车车门自动关闭, 避免与人或车辆相撞。从而获得在遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启的车门, 避免人或机动车与汽车车门相撞, 造成人和汽车损伤, 同时中央自动控制系统还可以节省人力, 无需用力开关车门, 只要使用遥控器, 车门钥匙或车门拉手, 车门自动打开或关闭。
5 结语
自动控制车门开关装置, 避免了交通事故的发生, 为汽车安全行驶提供了保障, 使电动车及行人有了安全保障, 完全避免了人身伤害, 自动控制车门开关装置具有极大的推广价值, 该装置设置合理, 结构简单, 便于安装, 实用广泛。
摘要：客运汽车自动控制车门开关装置, 预防汽车车门开启时与人或机动车相撞, 利用弧形齿条, 传动齿轮, 双向伺服电机, 中央控制模块, 雷达发射器, 雷达接收器, 发射接收天线组成中央控制系统, 当遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启的车门, 避免人或机动车与汽车车门相撞, 造成人和汽车损伤, 中央自动控制系统还可以节省人力, 无需用力开关车门, 只要使用遥控器, 车门钥匙或车门拉手, 车门自动打开或关闭。
关键词：弧形齿条,传动齿轮,双向伺服电机,中央控制模块
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汽车开关 篇6
2001年起, 中纺锐力公司连续承担国家“863”计划节能与新能源电动汽车重大专项“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及控制系统”、“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及控制系统的产业化”、“车用开关磁阻驱动电机系统”、“DCM机电耦合动力传动装置关键技术开发”等课题, 在课题负责人高超教授、闫志平高工带领下, 成功开发出50/100KW强混合、35/60KW中混合用电机系统等产品。承担的课题均顺利通过国家验收, 各项技术性能指标达到或超过课题合同要求, 其中电机噪声指标取得了突破性进展, 电动汽车用电机产品的产业化工作在“863”团队中起到了积极示范作用。公司配置了国内生产SRD的第一条组装流水线, 并于2008年通过了汽车行业TS16949认证, 年生产能力可达3000套。2004年以来, 该公司向东风电动汽车股份有限公司提供了50套产品, 在武汉市公交510、599、585路示范运营。
公司自主研制生产的SRD系统适合于电动车辆的驱动电机, 电机结构简单结实、高启动转矩、低启动电流, 高效区宽, 具有完全对称的四象限可逆调速性能, 同时拥有极快的动态响应时间。车用电机系统包括一台电动机和一个控制器, 具有电动和发电两种运行方式以及转矩和转速两种给定方式;有较宽的转速范围、较高的效率和较轻的重量。产品主要技术参数为:额定电动功率为35KW、峰值功率60KW、峰值发电功率50KW, 转速范围0～7000rpm, 额定电源为直流336V, 系统额定效率不低于88%, 电动机重量140kg, 控制器重量35kg, 通讯方式为CAN总线, 数字参数设置。
其电动机为三相12/8极结构, 自然冷却, IP54密封, H级绝缘。采用钢板焊接整体式降噪结构, 配合课题开发的专利技术——减振安装装置, 大大降低了在车辆应用中的噪声水平。控制器采用TI公司DSP芯片进行全数字控制, 采用了多种现代控制策略和控制方式, 系统最高效率超过90%, 高效区超过80%;低速输出转矩和高速输出功率充分保证;动态调速时间≤200ms, 能够满足车辆自动换档要求。用户界面丰富, 有100多个可调参数满足不同用户要求;并通过上位机简化软件参数管理工作。具有CAN总线、RS485通讯口, 便于同整车控制系统接口。控制器结构采用减振安装, 电路全部采用三防结构, 能够适应车辆恶劣的环境应用, 提高了产品可靠性和耐久性。
汽车开关 篇7
随着电子设备的不断增加造成导线数量增加, 使得在汽车内有限的空间中布线变得日益困难, 从某种程度上限制了汽车电子功能的拓展。采用总线技术, 并通过电控系统网络化控制[1]能有效减少线束使用, 降低车内布线难度。现有LIN总线组合开关基于SCI/UART数据格式, 采用单主机多从机模式, 总线由3根导线组成 (电源、地线和数据线) [2,3]。由于每个组合开关上器件I/O口数量有限, 则能检测的开关量也有限, 在应用中若需增加开关量进行功能扩展, 需要接入多个组合开关。但由于过多节点将导致网络阻抗过低、降低通讯效率, 一个LIN网络中节点总数不宜超过16[4], 使得组合开关的扩展受到限制。随着汽车总线中通讯节点和数据流量持续增加, 节点日益复杂, 使得汽车总线在重量、布置、成本、通信效率等方面面临困境。
本研究针对现有组合开关不易扩展、应用不灵活等问题, 设计一款基于CAN总线和UART总线的汽车组合开关。由于采用CAN总线通讯的组合开关只使用两根线进行通讯, 不仅可提高数据传输的可靠性和安装便捷性, 同时可减少线束的使用。使用者应用该组合开关时, 只需将组合开关主节点连接到车内CAN总线上, 根据需要连接部分从节点, 便可检测多个开关节点的按键状态。不仅可减少线束使用, 方便车内布线, 而且易于扩展, 可至少连接30个开关节点, 扩展的各从节点上的开关信号的对应功能可由使用者根据需要在汽车电控单元自行定义。该组合开关还设计低功耗模式, 具有休眠、唤醒功能。
1 总体设计方案
该组合开关由一个主节点和多个开关从节点组成, 整体结构如图1所示。基于STM32系列微控制器的主节点作为组合开关的核心, 负责协调各开关节点与汽车电控单元间的通讯。主节点一方面通过串行通讯总线检测各开关节点的按键状态, 并将电控单元的工作指示传送给各开关节点。另一方面通过CAN总线与汽车电控单元通讯, 上传实时检测的按键状态。汽车电控单元根据接收到的按键状态操作相应的设备, 并将设备当前的工作状态通过主节点反馈给各开关节点作为工作指示。
2 硬件设计
主节点是组合开关的核心, 由STM32最小系统、电源模块、CAN收发单元及串行通讯电平转换电路组成。主节点采用ST公司Cortex-M3内核的32位闪存微处理器STM32F103C8T6[5], 其内部集成了CAN控制器和串行通讯接口。该处理器具有3种低功耗模式:睡眠模式、停止模式和待机模式, 在停止模式, 其功耗可以低至几十个微安。
2.1 电源模块
整车为组合开关提供的电源为24 V, 经过可调输出稳压器LM2576D2T_ADJR4G降压后给各开关节点及主节点上的5 V芯片供电。LM2576的工作电路如图2所示。LM2576具有7 V~45 V宽输入电压范围, TTL关断能力[6]。其最大输出电流有3 A, 这样的带载能力保证系统可以连接至少30个开关节点。组合开关进入休眠模式后, 主要功耗为稳压器的静态功耗, 为降低系统的休眠功耗, 笔者在设计中使用NE555定时器控制LM2576的使能引脚, 使其在系统休眠期间间歇式工作。在系统进入休眠模式前, STM32输出NE555使能信号, 使NE555工作输出一定占空比的定时信号POWER_OFF, 控制LM2576使其定时关断, 在其关断期间使用1 000μF电容储能为进入休眠状态的组合开关主从节点供电。
2.2 通信模块
CAN总线自20世纪80年代初由Bosch公司开发以来, 迅速得到广泛应用, 成为汽车领域应用最广泛的总线标准[7,8]。汽车内部有2条CAN通讯线 (CANH和CANL) 贯通车身, 构成CAN网络的主干通讯通道, 所有CAN节点可以挂接在主通道的任意位置。该组合开关也设计了CAN总线通讯接口, 可以作为一个独立的节点, 直接挂在总线上。STM32F103C8T6内部集成了CAN控制器, 只需外加CAN收发器即可工作。本研究选用CAN收发器NCV7340D12R2G[9], 该器件具有正常和静默2种工作模式, 由8号引脚控制, 在静默模式下其典型功耗仅为10μA。
主节点与开关节点采用UART串行通讯, 接口采用三线制, 分别是5 V电源线、信号线和地线。为了防止电源线上的传导干扰引入通信线路, 本研究使用单独的信号线通讯, 另外为了减少线束, 收、发数据共用一根信号线。信号线上采用24 V的电压通信, 以提高信号传输过程的抗干扰能力, 主节点和开关节点各设计了相应的电平转换电路, 将24 V的信号, 分别转换为3.3 V和5 V的串行通讯信号, 送给各自的主控制芯片。
主节点串行接收电平转换电路如图3所示, VIN为信号线。当开关节点发送信号为5 V高电平时, 经过从节点内部电平转换电路将信号转换为24 V在信号线上传输, VIN端为24 V高电平, 此时图3中三极管Q3、Q4都截止, 主节点串行接收引脚USART2_RX上为3.3 V高电平。反之, 所有三极管都导通, US-ART2_RX上为低电平。主节点串行发送端到开关节点的接收端也有类似的电平转换电路。这样设计的目的主要是为了使三极管在串行通讯空闲时的高电平下都关断, 降低通讯线路上的功耗。
2.3 开关节点硬件结构
开关节点包含串行通讯电平转换电路、按键输入电路及背光灯控制电路。主控芯片采用宏晶公司的51单片机STC11F02[10]。该芯片成本低且满足低功耗要求, 在休眠模式下最低功耗为0.1μA[11]。除了2个外部中断信号可将CPU从掉电模式唤醒, 还有3个复用引脚信号, 分别是2个定时/计数器信号输入引脚INT/T0/P3.4、INT/T1/P3.5和串口接收引脚INT/Rx D/P3.0[12], 为开关节点休眠、唤醒功能的硬件设计提供了方便的选择。开关节点的按键检测电路中, 通过π型滤波电路在硬件上提前给按键输入做消抖处理, 外加起保护作用的压敏电阻, 防静电浪涌和尖脉冲。按键背光灯由51单片机STC11F02控制, 通过定时器中断在其控制引脚产生PWM输出, 经过硬件上的二阶滤波电路滤掉交流分量, 留下直流分量, 实现亮度可调。
3 软件设计
3.1 主节点程序
组合开关主节点通过轮询的方式查询各开关节点的按键状态, 每个开关节点都有相应的地址编号。主节点流程图如图4所示, 系统上电后先进行初始化, 包括时钟、定时器、外部中断、串行中断、CAN控制器等。
主节点给开关节点的指令有4种, 分别是在线节点查询指令、节点状态查询指令、工作指示指令及休眠指令。组合开关主节点会定时对所有预留的地址口进行在线节点查询, 若某地址上有节点, 则会收到该地址上开关节点的响应, 之后主节点只对在线的节点发送按键状态查询和硬件工作指示指令。休眠命令采用广播的方式, 各开关节点收到休眠命令后停止串行通讯, 进入休眠状态。主节点重复进行休眠命令广播和在线节点查询, 直至确认所有地址口上都无节点在线后才进入休眠状态。需要注意的是由于收、发共用一根信号线, 开关节点在收到休眠指令后要先关闭串口, 进入掉线状态, 以备主节点查询确认是否所有节点都已掉线, 开关节点延时待主节点先休眠后, 再进入休眠状态, 以免提前休眠而被串口接收引脚上的外部中断唤醒。
3.2 开关节点主程序
各开关节点初始化后, 通过串行中断接收主节点的指令。开关节点程序流程图如图5所示。系统收到指令后先校验地址编号, 判断若为该节点的地址, 则对收到的指令进行解析处理, 根据收到的指令类型作相应的响应或操作。当汽车电控单元给组合开关发休眠指令时, 组合开关主节点和各开关节点后先后进入休眠状态。系统休眠后既可以通过汽车电控单元发送CAN信号到STM32F103C8T6的外部中断由上而下地唤醒组合开关, 也可以通过组合开关里的任意开关节点按键按下产生的外部中断, 由下而上地唤醒整个系统。
4 测试结果
经过软、硬件结合调试, 该组合开关带30个节点时, 采用9 600 bit/s的波特率可以可靠通信, 检测到各个开关节点上的按键状态。在系统进入休眠模式时, 本研究通过设置使主节点上的CAN收发器、STM32F103C及所有开关节点都进入掉电模式, 系统功耗为7.3 m A, 而各芯片的待机功耗都为微安级, 经测试发现, 此时主要为LM2576的静态功耗。为降低组合开关的休眠功耗, 加入NE555延时调压节能电路。在系统进入休眠模式前, STM32输出NE555使能信号, 使NE555工作输出一定占空比的定时信号, 控制LM2576使其定时关断, 在其关断期间使用1 000μF电容储能为进入休眠状态的系统供电。
NE555工作电路如图6所示。其中D2、D3为二极管, NE555使能后, C1、C2通过R2、D2构成的RC回路充电, 当达到THR的阈值电压时, NE555的OUT和DISC引脚输出低电平。之后C1、C2通过R3、D3构成的RC回路放电, 当达到TRIG信号的阈值低电压时, NE555的OUT和DISC引脚输出高电平。通过C1、C2周期性地充、放电, 使NE555输出一定时信号。调节R2、R3的阻值可调节C1、C2充、放电时间, 即可设置NE555输出的定时信号占空比。
经测试, 系统休眠功耗与NE555定时器输出信号的占空比关系如表1所示。可见占空比越小, 即LM2576间歇性工作的时间越短, 组合开关休眠功耗越低。需要注意的是, 1 000μF电容储能有限, 测试发现当NE555输出占空比小于1/6时, 由于供电不足, 系统产生掉电复位, 不能保持休眠状态, 因此目前系统的最低功耗调到了3.8 m A。应用时也可以通过换用更大容值的2 000μF储能电容, 将系统功耗调至更低的3.2 m A, 此时已达到临界值, 之后再往下调占空比, 系统功耗不会再下降, 甚至会由于供电不足唤醒休眠模式。
5 结束语
该组合开关改变了传统的点对点控制方式, 主节点与汽车电控单元采用CAN总线通讯, 主节点与从节点采用单信号线通讯, 减少线束使用, 方便车内布线。不仅易于扩展, 可以挂载至少30个开关节点, 且在设计的过程中考虑了实际应用的低功耗、低成本的要求, 在软件和硬件上进行了有效的低功耗设计和处理。经测试, 其性能良好, 在休眠模式下功耗设计仅为3.8 m A。
目前在欧美的每辆汽车上都至少有一个CAN节点, 我国在CAN总线领域起步较晚, 但市场潜力很大。现今车身网络大多只应用于中高档车, 自主汽车品牌的车辆大多价格低廉, 大多数这类汽车还采用传统的点对点控制方式, 尚未采用CAN总线产品, 而进一步的发展趋势是把车身网络推广向中档、经济型轿车甚至农用运输车。随着民族品牌的发展, 汽车工业的发展和科技水平的提高, 产品的不断进步, 对CAN总线应用的需求也越发迫切。基于CAN总线接口的低功耗、低成本汽车组合开关具有一定的应用价值。
摘要：为解决现有基于LIN总线组合开关连接节点有限、不易扩展的问题及应用中对低功耗、低成本的要求, 应用具有CAN控制器的STM32系列微控制器, 开发了基于控制器局域网和通用串行总线的车用组合开关。通过对组合开关休眠模式下主从节点各模块的功耗分析, 建立了其休眠功耗与电源模块静态功耗间的关系, 提出了通过在硬件上采用以NE555为核心的延时调压节能电路来降低组合开关休眠模式下电源模块的静态功耗。在基于STM32的组合开关上, 对延时调压节能电路的降功耗性能进行了评价, 并进行了休眠模式下的功耗调节试验。实验结果表明, 通过调节NE555定时器输出信号的占空比, 可将组合开关休眠功耗由最初的7.3 mA降到3.8 mA, 功耗降低近50%;该方法能够实现有效降低系统休眠功耗, 在低成本的车用组合开关中具有应用价值。
关键词：控制器局域网,易于扩展,低功耗
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汽车开关 篇8
参考文献[1]通过对比几种典型双向DC/DC变换器发现,在相同条件下半桥型双向DC/DC变换器电路元件所承受的电压电流应力较小。基本半桥型拓扑结构运用在大功率负载时,所需开关器件等级仍然较高、电感较大、体积庞大、能量密度较低。为了减小变换器体积,增大功率等级,参考文献[2-3]采用多重化半桥拓扑结构,降低了开关管功率等级,减小所用电感和电压电流纹波,但开关损耗问题仍有待解决。参考文献[4]采用一个震荡电感加二重双向DC/DC拓扑结构,运用软开关技术提高效率,但增加了一个电感元件和两个开关,导致成本增加。
为获得较高的功率密度,可将变换器设计在非连续导通模式(DCM),但其纹波较大,故采用多重化拓扑结构以弥补其缺陷,由此所需电感进一步减小[3]。另外,在DCM模式下,主开关关断的频率是其负载电流频率的两倍,开关的关断损耗增大,DCM模式使得变换器效率降低[5]。本文采用一种控制型软开关技术[6],不需要额外增加半导体器件,通过合理控制实现软开关,从而减小了开关损耗,提高了变换器效率。
1 变换器拓扑结构及控制策略
1.1 变换器的拓扑结构及工作原理
本文采用的三重交错式双向DC/DC变换器由三个典型半桥式双向DC/DC拓扑结构交错并联而成,其拓扑结构如图1所示。
三个基本半桥的导通时间依次互错1/3周期,且在每个周期导通时间相同,因此电感电流也依次互错1/3周期,从而减小总电流的纹波。
当正向运行,即升压运行时,下部开关Sd1、Sd2、Sd3处于斩波状态,为主开关,上部开关Su1、Su2、Su3与同臂下部开关互补,为辅助开关。当反向运行,即降压运行时,上部开关与下部开关主辅职能调换。
为了达到软开关目的,在实际运行中上下开关驱动信号加入的死区时间,利用电感电流恒流源作用,使上下开关各自并联的小电容能量在死区时间内得以交换,从而达到ZCS和ZVS。下面仅以单重半桥型双向DC/DC变换器拓扑加以说明。
图1中,iL1为电感L1的电流,规定如图1中方向为正方向;Co为滤波电容;FWDu1及FWDd1分别为开关Su1和Sd1反向并联的二极管;Cu1、Cd1为两开关并联的小电容。低压侧Vin由蓄电池或超级电容供电,高压侧Vo接电机等负载。当电机正向运行时,Sd1为斩波开关,Su1为辅助开关,能量由低压侧Vin流向高压侧Vo;当电机发生制动时,能量反向流动,上、下开关职能调换。现仅以boost工作模式加以说明。图2所示为升压模式下6个工作模态的关键波形。
模式1(T0≤t
由于变换器工作在DCM状态,电感L1较小,在T0时刻,iL1达到负向最小值iL1(T0),二极管FWDd1ZVS导通。电感电流线性增加,此状态以开关Sd1获得导通驱动信号为止。
模式(1)(T1≤t
二极管FWDd1自然导通,开关Sd1拥有导通驱动信号,但由于电感电流iL1仍为负,开关Sd1未导通,此状态以电感电流iL1上升至零截止。
模式2(T2≤t
电感电流iL1开始由负转正,继续线性增加至最大值iL1(T3),开关Sd1导通。
模式3(T3≤t
T3时刻,X点电压VX为零,开关Sd1获得关断信号,即ZVS关断。此期间所有开关关断,变换器进入第一个死区时间。电感正向电流iL1持续不变,并使电容Cu1放电致其电压为零,Cd1充电,VX由零变为V0。
模式4(T4≤t
二极管FWDu1ZVS导通,电感电流开始线性下降。
模式(1)(T5≤t
T5时刻,开关Su1获得导通驱动信号,电感电流仍在减小,但因仍为正,开关Su1处于截止状态。
模式5(T6≤t
T6时刻,电感电流降为零,二极管FWDu1ZCS关断,开关Su1ZCS导通、电感电流由零变负。
模式6(T7≤t
T7时刻,电感电流达到负向最小值,开关Su1获得关断驱动信号ZVS关断。此期间所有开关关断,变换器进入第二个死区时间。电感反向电流iL1持续不变,并使电容Cd1放电至X点电压VX为零,Cu1充电。一个周期完毕。
1.2 变换器的控制策略
本文采用电压外环PI调节,可稳定直流母线电压,即DC/DC变换器高压侧电压,使其不随蓄电池电压变化而变化;此外,在负载变化时,保证了直流母线电压在较快时间内得以稳定。
采用电流内环PI调节,可以将电动汽车制动刹车时直流母线侧能量以可控的方式对蓄电池组进行充电;另一方面,共用一个电压外环,保证并联各个基本变换器电应力和热应力的均匀合理分配,以实现电源系统中各基本变换器自动平衡均流[7]。本文采用双闭环控制方式,如图3所示。
为了使多重式结构变换器的每个基本单元在其他单元发生故障时仍能继续独立工作,每个基本单元变换器拥有独立的PWM发生模块。
2 软开关实现条件
本文利用DCM运行下电感电流反向和互补开关,没有额外的半导体器件。变换器电感与开关的并联小电容在死区时间内相互配合,使两电容能量相互交换,以达到软开关目的。
若使变换器在boost模式与buck模式均达到软开关目的,首先应满足DCM运行基本条件;另外,在死区时间内,电感电流要具有抽取电容电能,以使两电容能量可以交换。以boost模式为例,DCM模式运行基本条件:
在进入第一个死区时间T3~T4阶段,记为td1;第二个死区时间T7~T8阶段,记为td2,电感电流反向最大值记为I-max,电感电流正向最大值记为I+max。因Cd、Cu电容值较小,电感相当于恒流源,若电感拥有抽取电容的能力,应满足以下不等式:
由式(2)、(3)得知,在两个死区时间相同情况下,只需满足反向电感电流的软开关条件,正向电感电流的软开关条件也会得到满足。
由式(3)得知,在不同负载下,电感L的平均值IL不同,因此反向电感电流峰值也不同。为使变换器在不同功率下设置的死区时间不变,且均可达到软开关目的,在电感电流平均值最大时Imax L(即满负载),得出的电感电流反向最大值I-max即为在不同功率下的最小值。若死区时间满足满负载下的软开关条件,则一定满足不同功率下软开关的条件。
3 仿真验证
针对电动汽车在运行过程中驾驶员的频繁加速、减速及起动、制动等操作,为了验证上述拓扑结构的正确性,进行了仿真验证,所用参数如表1所示。
(1)变换器在t=0.025 s时,负载功率由2P/3突变为满负载P,模拟电动汽车加速运行。当t=0.15 s时,电路达到稳定状态;当t=0.025 s时,电压因负载突变;而t=0.007 5 s时,很短时间内恢复给定电压,电流也快速达到另一稳态。本文电流内环采用三个独立的PWM发生器,具有较快的动态响应。
(2)变换器升压工作时,以第三个基本单元为例,在负载功率为2P/3下主开关Sd3,辅助开关Su3,及各自并联二极管FWDd3、FWDu3的仿真波形及电感电流波形如图4所示。采用此种控制性软开关技术,使主开关、辅助开关以及两并联二极管在不同负载下其电压、电流错位,即均可达到软开关效果。采用三重交错式拓扑结构,电感电流纹波减小到原来的三分之一,有效弥补了DCM运行模式纹波大的缺陷。
本文采用多重半桥式双向DC/DC变换器拓扑结构,利用DCM模式下电感电流反向的特点,以反方向运行时主开关为辅助开关,没有额外添加半导体器件。实现了主开关的零电压开通和零电流关断,辅助开关的零电压开通、零电流关断,以及主开关与辅助开关并联二极管的零电压导通、零电流关断,提高了整体变换器效率。使得多重交错式结构有效减小了电感电流纹波。在控制方式上采用共用一个电压环,即共用一个电感电流参考值,解决了并联结构的均流问题,三个独立的电流内环加快了变换器的响应速度、提高了安全性。本文分析了此变换器的工作原理、控制策略,并对其进行了仿真实验,验证了理论分析的正确性与可行性。
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