DC/DC преобразователь электромобиля

Определение

DC/DC преобразователь электромобиля или гибрида — статический преобразователь, понижающий напряжение высоковольтного контура до бортовых 12 В. Питает всю низковольтную сеть автомобиля и заряжает стартерную аккумуляторную батарею.

В функциональной схеме автомобиля он занимает место генератора: та же задача, та же норма выходного напряжения, — но это не вращающаяся машина, а силовая электроника, и общих деталей у них нет.

Назначение

Обеспечить бортовую сеть 12 В при работе автомобиля и поддерживать заряд низковольтной батареи.

Значимость этого узла в электромобиле выше, чем кажется по его напряжению, и причина неочевидна: катушки контакторов высоковольтного контура питаются от сети 12 В. Разряженная низковольтная батарея означает, что контакторы не замкнутся, и полностью заряженная тяговая батарея окажется недоступна. Электромобиль не трогается с места по той же причине, по которой не заводится обычная машина, — из-за двенадцативольтового аккумулятора.

Расположение

В высоковольтной части автомобиля, часто в общем корпусе с бортовым зарядным устройством или с инвертором тягового привода. Как правило, с жидкостным охлаждением: рассеиваемая мощность при токах в сотни ампер значительна.

Устройство

  ВХОДНОЙ КАСКАД     фильтр и защита со стороны
                     высоковольтного контура

  КЛЮЧЕВОЙ КАСКАД    преобразование постоянного
                     напряжения в переменное высокой частоты

  ТРАНСФОРМАТОР      понижение и — принципиально —
                     гальваническая развязка

  ВЫПРЯМИТЕЛЬ        обратно в постоянное напряжение
  И ФИЛЬТР           со сглаживанием пульсаций

  УПРАВЛЕНИЕ         стабилизация выхода, связь
                     с автомобилем, тепловая защита

Строка с трансформатором — не деталь конструкции, а требование безопасности. Именно развязка не даёт высоковольтному контуру получить связь с кузовом через низковольтную сеть, где кузов служит рабочим проводником. Отказ развязки проявляется как падение сопротивления изоляции.

Входы

Высоковольтная шина постоянного тока от тяговой батареи. Команда автомобиля на включение и, в большинстве конструкций, задание выходного напряжения. Теплоноситель.

Выходы

Стабилизированное напряжение бортовой сети и ток в сотни ампер на низковольтную шину и на батарею 12 В. Сообщения о состоянии и коды неисправностей.

Принцип работы

Преобразование ключевое: входное напряжение прерывается с высокой частотой, понижается трансформатором и выпрямляется. Регулирование выхода выполняется изменением параметров ключевого режима — тот же принцип, что у ШИМ.

Практически важное отличие от генератора — в том, кто задаёт норму. У генератора уровень удерживает собственный регулятор напряжения, и он один и тот же почти всегда. У DC/DC преобразователя уставку в большинстве конструкций задаёт автомобиль, меняя её по стратегии заряда низковольтной батареи и по её температуре. Отсюда следствие для диагностики: отклонение выходного напряжения от ожидаемого не обязательно означает неисправность преобразователя — оно может быть выполнением команды.

Второе отличие: у преобразователя нет ремня, подшипников и щёток, поэтому целый класс отказов генератора здесь отсутствует, а взамен появляются тепловые.

Типичные неисправности

Источник	Механизм	Признак
Отказ выходного каскада	Пробой ключей или выпрямителя	Выхода нет, сеть 12 В живёт на батарее
Тепловой уход в защиту	Отказ охлаждения, загрязнение контура	Пропадает под нагрузкой, восстанавливается на холодную
Рост пульсаций	Деградация выходного фильтра	Нестабильная работа блоков, помехи
Потеря команды на включение	Дефект шины, разъёма, питания управления	Выхода нет при исправной силовой части
Коррозия силовых соединений выхода	Влага, ослабление крепежа	Просадка под нагрузкой, локальный нагрев
Отказ гальванической развязки	Внутренний пробой трансформатора	Ошибка изоляции высоковольтного контура

Перечень не заявляется исчерпывающим: часть симптомов со стороны 12 В порождается самой низковольтной сетью, а не преобразователем.

Типичные симптомы

Разряд низковольтной батареи при регулярной эксплуатации; автомобиль не переходит в готовность к движению после стоянки; одновременные сбои нескольких не связанных между собой потребителей 12 В; предупреждение о неисправности низковольтной сети; симптом, появляющийся после прогрева.

Картина совпадает с симптомами неработающего генератора — разбор общего механизма в статье генератор не заряжает аккумулятор.

Диагностика

Практически важное свойство этого узла: его диагностика начинается со стороны 12 В и не требует доступа к высоковольтной части. Выход преобразователя — обычная бортовая сеть, измеряемая обычным мультиметром.

  ВХОД        200–800 В постоянного тока

  ВЫХОД       13,8–14,4 В — та же норма,
              что и у генератора
              (см. «нормальные напряжения»)

  ТОК         100–300 А для легковых машин,
              что соответствует примерно 1,4–4,2 кВт

  КПД         > 90 % при номинальной нагрузке

  ПУЛЬСАЦИИ   < 100 мВ размах;
              измеряются осциллографом, не мультиметром

Значения приведены как типичные величины из практики высоковольтных систем, а не как измерения проекта; уставка выхода и допустимый ток задаются изготовителем.

Порядок замера: напряжение на клеммах низковольтной батареи при включённом автомобиле и затем при включении заметной нагрузки. Норма и способ её оценки принадлежат статье нормальные напряжения автомобиля и здесь не пересказываются. Просадка при нагрузке разделяется на два случая замером падения напряжения на проводах выхода: падение на проводе — дефект соединения, падение на самом преобразователе — дефект узла.

Пульсации оцениваются осциллографом; мультиметр в режиме постоянного напряжения усредняет их и не показывает.

Заблуждения

«В электромобиле нет генератора, значит низковольтная часть не отказывает». Отказывает так же: те же потребители, та же проводка, та же батарея 12 В. Изменился только источник, и он перенял на себя весь класс симптомов «не заряжает».

«Батарея 12 В в электромобиле не нужна». От неё питаются катушки контакторов, поэтому именно она включает высоковольтный контур. При разряженной низковольтной батарее тяговая недоступна независимо от своего заряда.

«Показал 14 В — исправен». Без нагрузки это ничего не доказывает: преобразователь с деградировавшим выходом держит напряжение на холостом ходу и проседает под током. Оценка выполняется под нагрузкой.

«Напряжение не 14,2 В — неисправность». У большинства конструкций уставку задаёт автомобиль и меняет её по стратегии заряда. Прежде чем считать отклонение дефектом, нужно знать, какое значение запрошено.

«Проверить можно только со снятием высоковольтной части». Наоборот: почти вся полезная диагностика выполняется на выходе, в безопасной низковольтной зоне. К высоковольтной стороне переходят, когда низковольтная проверка исчерпана.

Связанные понятия

• Генератор — узел, чью функцию преобразователь выполняет в электромобиле, с той же нормой выхода и другим устройством
• Ток — измеряемая величина на выходе; сотни ампер задают требования к соединениям
• Напряжение — величина, которую преобразователь стабилизирует, и основной критерий его оценки