TDK已開始向混合動力車及電動汽車提供「DC-DC轉換器」。電動汽車充電電池的電壓高達數百伏。DC-DC轉換器將充電電池的電壓降至14V,提 供給鉛蓄電池。再把鉛蓄電池作為電源驅動發動機的輔機類、雨刷及前照燈等器件。
世界首款量產混合動力車的投入使用已經12年。包括TDK在內,DC-DC轉換器單位體積的功率密度逐年提高,估計今後也是這一趨勢。
TDK的DC-DC轉換器於1997年實際應用於混合動力車。本田將在現行的「思域混合動力車」和新款Insight上採用(圖1)。還被部分海外廠 商應用於混合動力車。
Insight之所以採用TDK製造的DC-DC轉換器, 是因為能夠滿足小型與輕量化的要求。本田對Insight減小了包括DC-DC轉換器和逆變 器在內的PCU(功率控制單元)尺寸及鎳氫充電電池的尺寸。這些器件在思域混合動力車中曾配置在後座後面,而在Insight中,卻配置在行李艙下面,以 使行李艙的可用空間比以前增大。DC-DC轉換器的小型化有利於擴大行李艙容量,降低成本。
Insight上使用的最新款DC-DC轉換器與思域混合動力車上配備的原產品相比,重量減輕45%,容積減小5%(圖2)。重量低於1kg。轉換效 率確保在90%以上。
省去交流發電機混合動力車及電動汽車導入DC-DC轉換器之後,可省去交流發電機。交流發電機利用發動機的旋轉 發電,發出的電為鉛蓄電池充電。(如圖)
電動汽車 的充 電電池容量很大。因此,以充電電池為電源, 能夠利用DC-DC轉換器為鉛蓄電池充電。從而可以 省去原來的交流發電機。(如圖)
Insight就未配備交流發電機(如圖)
使用充電電池和DC-DC轉換器,可以不必考慮發動機的轉速而為鉛蓄電池充電。原來的汽油發動機車,當發動機轉速低時,如果同時使用空調、立體聲及車 燈等,有時「電池的電量會用盡」。即使發動機仍在運行,有些條件下也會出現電力不足現象。而如果像混合動力車和電動汽車這樣使用充電電池和DC-DC轉換器,便可不必考慮發動機的轉速而使用電力。
混合動力車和電動汽車按說也能省去鉛蓄電池,但實際上還是保留了鉛蓄電池(如圖)。Insight也保留了鉛蓄電池。這樣做有兩大原因。一是保留鉛蓄 電池更能夠降低整個車輛的成本。二是確保電源的冗餘度。
鉛蓄電池能在短時間內向空調、雨刷及車燈等釋放大電流。如果省去鉛蓄電池而將充電電池的電力用於補機類、空調及雨刷等,DC-DC轉換器的尺寸勢必就 要增大,從而使整體成本增加。鉛蓄電池便宜,因此目前將鉛蓄電池置換成充電電池還沒有成本上的優勢。
二是鉛蓄電池還有確保向補機類供電的冗餘度的作用。DC-DC轉換器出現故障停止供電時,如果沒有鉛蓄電池,補機類就會立即停止運行。夜間車燈不亮, 雨天雨刷停止運行等,就會影響駕駛。如果有鉛蓄電池,便能夠將汽車就近開到家裡或者工廠。
今後DC-DC轉換器功能改進的方向之一是雙向化,現在使用的DC-DC轉換器只是單向改變電壓。現在也存在要求雙向的需求。當充電電池的電力不足 時,便可將鉛蓄電池的電力輸入充電電池,以備緊急之需。雙向化是今後將繼續探討的課題,這也是確保冗餘度的方法。 TDK分代開發了DC-DC轉換器基本電路(平臺),如圖
其中包括2001年開始量產的「GEN3」(第3代)、2005年量產的「GEN4」 (第4代)、2008年量產的「GEN4.5」(第4.5代)。現在正在開發的是「GEN5」(第5代)。根據基本電路,製成符合各汽車公司要求的產品。
DC-DC轉換器不同的代規定了變壓器的種類及DC-DC轉換器電路的基本構造。水冷/空冷、端子位置,主體形狀等根據採用車型進行設計。基本構造以 嚴酷環境下的空冷為前提設計。
按產品來看,轉換效率由第2代到第5代一直在提高(圖8)。電流為10A時,轉換效率分別為約84%(第2代)、約86%(第4代)、約89%(第 4.5代)。電流為70A時,轉換效率由約86%(第2代)提高到約88%(第4.5代)。預計下一代第5代將超過90%。(未完待續,特約撰稿人:近藤 朋之,TDK電力系統業務集團EV電源部部長)
DC-DC轉換器的主要部件是變壓器。變壓器由一次側(輸入側、充電電池側)和二次側(輸出側、鉛蓄電池側)兩種線圈構成。線圈比與電壓比成比例。
利用變壓器改變電壓時,變壓器需通過交流電壓。充電電池是直流電壓,因此DC-DC轉換器通過利用功率半導體ON/OFF來自充電電池的直流電壓,將 其轉換成交流電壓。然後,利用變壓器轉換交流電壓,再利用功率半導體將交流電壓轉換成14V的直流電壓。利用功率半導體轉換交流和直流時,為抑制電壓波形 的噪聲(平滑化),還使用了電容器。
決定DC-DC轉換器性能的主要因素是變壓器。變壓器的大小、形狀及支持的開關頻率隨著更新換代而進化(如圖)。開關頻率由70kHz提高到 110kHz,變壓器鐵芯的重量由215g左右減輕至61g左右。變壓器的線圈通過採用層疊平面線圈的類型,降低了高度。
通過提高開關頻率,可減小變壓器和整流電路的尺寸。因為頻率提高,可使功率半導體單位時間的開關次數增加。不過,為防止接近收音機AM廣播的頻率,過 去一直採用70kHz頻帯。最近由於抑制噪聲的技術取得進步,採用了比原來高40kHz的110kHz頻帯。
變壓器的鐵芯材料採用的是最新的鐵氧體材料「PC95」。PC95的原料為Fe(鐵)、Mn(錳)、Zn(鋅)。Fe的混合比例等與原產品 (「PC44」、「PC45」等)不同。原產品在有些溫度下,會出現鐵損增大、效率降低現象。最新的鐵芯可在很大的溫度範圍內減小鐵損。鐵損以磁滯損耗為 主,還包括渦流損耗。
與二次側變壓器相連的整流二極體採用了比上代熱損耗低的產品。這樣,整流二極體的封裝面積比原來減小40%。
混合動力車用DC-DC轉換器上使用的變壓器鐵芯材料採用了鐵氧體(表)。因為變壓器中流過100kHz左右的高頻電流,與其他材料相比,鐵氧體的效 率最高。 家電中使用的變壓器的工作頻率為50/60kHz左右,適於採用矽鋼。非晶材料適合於頻率高於100kHz的領域。
用維修電源調到最高30V接入紅黑兩線,萬用表電壓檔接黃黑兩線,果然沒12V電壓輸出。肯定已壞。
將盒子上的八顆螺絲卸下,即可打開看見裡面的電路板,再將側邊固定兩個大功率管的螺絲卸下,就可以取出電路板了。
仔細觀察電路板,首先發現有打火痕跡,是個100V100uF電容鬆掉,估計長期發熱加上在車上顛簸導致虛焊並鬆脫,於是拆下來檢測,還能用!隨即補焊回去,同時也發現MOS管與肖特基管管腳也有虛焊,也要拆下來檢測後補焊。
再仔細觀察其它地方沒有虛焊了,同時觀察板上的電阻沒有焦黑。對於其它二極體用萬用表二極體檔測一下正反壓降,都符合二極體基本特性。
用維修電源上電檢測,發現還是沒有輸出。懷疑IC。用萬用表測IC的7腳,只有1點幾伏電壓,沒供電?
將供電一路的電阻測量,主要是那個20k1W電阻,沒壞。懷疑兩個並聯在7腳的電容漏電,拆下來測一下,沒有壞也沒漏電。
於是判斷可能是IC壞了,隨後將IC拆下來,測7腳與5腳(IC的供電與地)。發現電阻得80幾歐,無二極體特性。判斷IC損壞!IC型號寫著TL3845P。淘寶一搜,很少,且9毛錢。於是買了便宜的UC3845,只要5毛錢。
兩天後,晶片寄到,裝上前測一下好的IC 7與5腳是怎麼樣的,結果:不是80幾歐的,且有二極體特性,隨後將IC焊上,通電試機,有13V輸出,維修成功!
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