В электромобилях, в отличие от ДВС отсутствует генератор для зарядки 12-вольтового аккумулятора вспомогательной бортовой сети. Для подзарядки вспомогательного аккумулятора и питания сети освещения, приборов, систем кондиционирования, радиоприемников и т.п. применяется специальные преобразователи типа DC/DC (рис. 5.10). DC/DC преобразователь представляет собой электронную схему, которая облегчает преобразование постоянного тока с одного уровня напряжения на другой в зависимости от требований.
Преобразователь является связующим звеном между бортовой высоковольтной системой и бортовой низковольтной сетью. В его задачу входит питание 12-вольтовой бортовой сети и при необходимости, зарядка 12-вольтового аккумулятора. Для этого преобразователь постоянного тока в постоянный понижает высокое напряжение в сети примерно до уровня 12…14 В.
DC/DC преобразователь является разновидностью инвертора. Преобразователи подразделяются на повышающие и понижающие, инвертирующие преобразователи, блокирующие преобразователи и симметричные преобразователи. Для увеличения или уменьшения напряжения постоянного тока преобразователи напряжения постоянного тока оснащены трансформаторным блоком. Преобразование напряжения в них происходит за счет электромагнитной индукции через две обмотки, физически не связанные друг с другом. Этот принцип известен по классической катушке зажигания, которая преобразует низкое напряжение бортовой электросистемы в высокое напряжение, необходимое для воспламенения топливовоздушной смеси. Для установки выходного напряжения на DC/DC преобразователе на требуемом уровне оно управляется сигналом PWM (широтно-импульсная модуляция).
Рассмотрим разновидность инвертора, который преобразует постоянный ток высокого напряжения в постоянный стабилизированный ток низкого напряжения. Блок схема инвертора приведена на рис. 5.11.
Ф1 – входной фильтр; И – инверторный преобразователь; ИТ – импульсный трансформатор; В – выпрямитель; Ф2 — выходной фильтр; ШИМ – широко-импульсный модулятор
Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе обязательно устанавливают фильтр в виде конденсаторов, и иногда дросселя, для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы с электромагнитными импульсами инвертор полностью экранируется.
Поскольку на высоких частотах возникают сильные потери энергии, вызванные действием вихревых токов в качестве магнитопровода применяются магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.
Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в независимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь чаще всего применяется оптопара. Однако может применяться и другой радиоэлектронный элемент, способный осуществить гальваническую развязку.
Как видно из рис. 5.11 схема состоит из сглаживающего входного фильтра, инверторного преобразователя, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.
Значительно повысить частоту удается только в относительно маломощных преобразователях с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить частот до нескольких десятков тысяч герц. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.
Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, силы протекающего тока и частоты переключения. С ростом частоты потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Одним из примеров можно привести схему DC/DC преобразователя с выходным напряжением 12 -14,4 В (рис. 5.12).
Входное напряжение составляет 380 В. Задающий генератор и блок ШИМ выполнен на специализированной микросхеме TL494. Как видно управление этой микросхемой производится от внешнего микроконтроллера ЭБУ низковольтной аккумуляторной батареи в зависимости от ее напряжения. Управляющие сигналы с нее поступают на усилительный каскад, выполненный на двух транзисторах VT1 и VT2. Усиленный сигнал поступает на первичную обмотку первого трансформатор. С 2-х вторичных обмоток сигнал в противофазе поступает на управление силовыми транзисторами VT3 и VT4, который по пути сглаживается цепочками, состоящими из резисторов конденсаторов и диодов. Усиленный сигнал поступает на мощный выходной трансформатор, где происходит снижение напряжения с 380 до уровня низкого требуемого значения. С двух вторичных обмоток переменный ток поступает на выпрямитель, выполненный на мощных диодах VD15 и VD16. Затем выпрямленный ток поступает на высокочастотный дроссельный фильтр и затем окончательно сглаживается конденсатором, где и достигается требуемое напряжение. Полученный ток далее поступает на зарядку низковольтной аккумуляторной батареи. С выходной цепи инвертора снимается также обратная связь в виде напряжения для питания собственных цепей и поддержания требуемого уровня напряжения, а также часто используется контроль силы тока для защиты. Как правило в таких схемах контроль зарядного тока производит контроллер заряда аккумуляторной батареи, который и задает требуемую скважность ШИМ. Кроме этого следует отметить, что для работы инвертора требуется наличие исправной низковольтной аккумуляторной батареи, в противном случае инвертор может не запуститься. Однако эти ошибки мгновенно зафиксирует ЭБУ АКБ и выдаст на панель приборов в виде значка АКБ.
Трансформатор в преобразователе постоянного напряжения обеспечивает не только изменение уровня напряжения, но и гальваническую развязку бортовой сети 12 вольт от бортовой сети высокого напряжения. Это означает, что между двумя сетями нет связи, по которой могла бы течь электроэнергия. Неопределенность этого фундаментального разделения чрезвычайно важна. В противном случае короткое замыкание между сетями высокого и низкого напряжения может иметь фатальные последствия для компонентов 12 В, не говоря уже об опасности поражения людей электрическим током.