比亞迪e3.0發布的時候提到了“驅動復用,升壓充電”,也就是用電驅動替代傳統DC-DC電路,實現500V充電樁直接給800V電池充電。
了解這個之前,先回顧電路的基礎知識,先從降壓電路開始。
假設一個電源是100V,一個負載(假設是一個阻抗5歐姆的燈泡)額定電壓只需要50V,怎么辦?
有人說這個好辦,根據電阻串聯分壓原理,串聯一個5Ω的電阻不就行了,這樣負載的電壓就是100×5/(5+5)=50V
那么,問題就來了,整個電路電流=100/(5+5)=10A
負載功率=500W,電阻功率=500W,整個電路1000W的功耗,結果只有50%是用來干活,另外50%被浪費掉了,這種電路的效率也未免太低。
電力電子的基本思想是“等效”。開關電源基于這個思想被發明了出來。
通過一個開關,兩個觸點1和2,在一個周期T的時間內,先將開關撥到1,負載聯通,此時負載兩端的電壓v(t)等于電源電源Vg,持續DT(D<1,稱為占空比,表示開關電源一個周期內通電時間的占比)時間后,切換到觸點2,此時負載被斷路,電壓變為0。然后下個周期再把開關切回1,持續DT,再切到2。。。如此循環,那么對于負載而言,平均電壓Vs就等于每個周期內導通的時間除以周期的總時間然后乘以母線電壓,即Vs=DVg,這個很好理解,畢竟電源的每個周期只有占比D的時間在工作。
如果電路中沒其他損失的話,電源理論效率可以做到100%!
但是這樣還不行,這個電源的輸出到負載的電壓一會兒Vg,一會兒是0,波動太劇烈。如果耐壓扛不住,燈泡說不定就炸了。而且在每個周期,階段2時間內,電壓完全沒有,表現出來就是燈泡忽明忽暗。。。
有沒有辦法能夠讓這個過程平滑一點?
人們想到了電感和電容,電感和電容都是儲能元器件,一個可以儲存電荷(讓電壓平滑),一個可以儲存磁場(讓電流平滑)。
這樣是不是看起來舒服多了?
看一個12V轉5V的例子(B站up主:愛上半導體)
在一個周期內5/12的時間,開關閉合,此時電流流過電感,電容,負載,此時二極管電位上高下低,二極管阻斷,沒有電流流過,電感上會感應出一個左正右負的電壓,使得負載電壓達不到12V,負載上的電壓波形如上圖右側。
然后在剩余7/12的時間內,開關斷開,在開關斷開的一瞬間,電感上感應出一個維持電路中電流的左負右正的電壓,二極管電位此時是上負右正,導通,此時電路中的電感相當于電源,還沒等到電感中能量耗盡,開關又閉合了,又開始了新的一輪充電,負載電壓又被抬了起來。。。
最終電源輸出到負載端的電壓波形如下:
這個5V的電壓,就平滑多了,實際電路中,選擇合適的開關頻率,電感和電容值,可以把波動降低到0.02V以內,幾乎就是一條直線。
還有一個問題,開關的高速開通和斷開怎么實現?用人的手當然是不可能的,每秒開關幾千次,人們發明了晶體管,通過MOSFET,IGBT等,可以實現。
以上的這種直流轉直流(DC-DC)的降壓電路也被成為Buk電路。
了解了降壓電路,再來理解直流升壓電路(DC-DC boost)就方便了。
開關斷開前,此時電流流過電感,電容
當開關斷開時,此時由于負載阻抗較大,流過電感的電流要降低,電感感應出一個維持電流的電壓,疊加到負載上。輸出波形如下圖
當開關再次閉合,此時電路左邊相當于被短路,電源電流不再流過負載,負載此時只能靠電容放電來維持電壓和電流,負載端的電壓開始下降。
此時負載端的電壓波形是這樣的:
如此反復開關,最終波形這樣:
選擇合適的電感,電容,開關頻率和占空比,就能得到平滑的輸出電壓
電壓增益(升壓倍率)和占空比有關,輸出電壓v=Vg×1/(1-D)
如果是要將5V電壓升到12V,那么占空比D=7/12,即每個周期內,開關晶體管要在7/12的時間導通,5/12的時間斷開。
學習回顧下DC-DC降壓電路(buk)和升壓電路(boost),后面再學習比亞迪的這個驅動復用技術和廣汽,華為的相關專利。
審核編輯:湯梓紅
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