【原创】本田混合动力汽车双向DCDC技术剖析

一、前言 /PREFACE

二、 结构和工作原理 

1、直流输出：

在直流输出模式下，双向直流电源借助整流电路将输入的交流电能转化为直流电能。整流电路普遍采用桥式整流结构，由四个二极管构成。当交流电处于正半周时，两个正极二极管导通，负极二极管截止；而在负半周时，则反之。这一转换过程将交流电转变为脉动的直流电。为平滑整流后的直流输出，滤波电路发挥着关键作用。常用的滤波方式有电容滤波和电感滤波。电容滤波依靠电容器的储能特性，滤除脉动直流中的交流成分，确保输出电压的稳定性。而电感滤波则利用电感器的特性，进一步平滑输出电压。

控制电路实时监测输出电压和电流，通过调整整流电路和滤波电路的工作状态，确保输出电压的稳定性和精度。此外，控制电路还具备多种保护功能，如过压保护、过流保护等，以保障电源的安全运行。

2、直流输入：

在直流输入模式下，双向直流电源接收外部直流电能，并依托逆变电路将其转换为其他形式的能量。逆变电路是核心环节，它专门将直流电能转变为交流电能，便于后续的能量转换或存储操作。此电路通常由高频开关管与控制电路协同构建。开关管在控制电路的精准驱动下，以高频方式开关工作，成功将直流电能转化为高频交流电能，实现了电能形式的转换，为后续处理提供了极大便利。同时，在直流输入模式中，控制电路也扮演着举足轻重的角色。它不仅实时监测输入的电压与电流状况，还通过灵活调整逆变电路的工作模式，来保障能量转换过程的高效与稳定。此外，控制电路还集成了能量管理功能，依据系统实际需求，精准地分配与调度能量资源，从而实现了能量的高效利用。

1、本田混合动力汽车的电气架构

下图是本田IMMD电气架构，双向DC/DC变换器集成在电池管理系统中的电力控制单元（PCU），连同其他控制器、电机控制单元（MCU）以及驱动模块的电容电感都经过高度集成设计，大幅减少了通用器件的使用，为整车布局提供了便利。最重要的一点是，它还能够将电池包的电压从259.2 V提升至最高700 V。这一创新设计不仅在不增加电机尺寸的前提下实现了电机的大转矩、大功率输出，而且还优化了发电机和驱动电机的能量回收效率，确保了回收电能与电池电压的完美匹配。此外，智能功率模块（IPM）的集中布置进一步提升了系统的性能。传统的热扩散器和润滑脂被消除，通过焊料将绝缘基板直接连接到散热器上，这种设计显著提高了散热效果，据称散热效果提升了24%。这不仅保障了系统的高效稳定运行，也延长了关键部件的使用寿命。  

2、双向DC/DC变换器的拓扑结构

本田PCU电气图中所采用的传统两路交错双向DC/DC拓扑电路方案展现了其控制简单且高效的特点。其中，功率电感Reactor是本田定制开发的，具备独特的两相绕在同一磁芯上的设计优势。这种设计通过每相线圈的分别卷绕，显著减少了漏磁现象。漏磁的减少不仅优化了系统的电磁环境，更为传感器的布置提供了便利，避免了因漏磁导致的传感器故障，从而提高了系统的稳定性和可靠性。从本田PCU双向DC/DC变换器的体积优势来看，主要体现在以下两个方面：

a深度集成与器件通用：双向DC/DC变换器和电机控制器采用了深度集成的设计，这不仅减少了独立部件的数量，还通过共用部分器件实现了器件的通用化。这种设计策略有效地减小了整体体积，使得系统更加紧凑，便于在整车中进行布置。

b功率电感特殊设计：本田定制的功率电感具有特殊的设计，使得其体积得以缩小。这种特殊设计不仅满足了系统对电感性能的要求，还通过优化结构减少了材料的使用，进一步降低了成本。同时，小体积的电感也更容易与系统中的其他部件进行集成，提高了系统的整体性能。

1、系统匹配的收益

由于系统运行电压随车速变化，而电路电流保持不变，因此在系统电路损耗不变的情况下，通过优化电压管理，可以提高功率输出。这种策略有助于提高整体系统的效率和动力性，使得车辆在不同车速下都能保持较高的运行效率和动力响应。

2、电机系统的收益

通过仿真分析不同电压下电机设计效率MAP图，我们发现电机系统的高效区随着电压的拉升而扩大。这意味着电机在更多工况下都能运行在高效区域，从而提高了电机在整个运行过程中的效率。高效区域占比的提升意味着电机在更多时间内能够输出更高的转矩和功率，进而提升车辆的动力性能。

3、 电池的收益

电池电压随着电芯数量的增加而增大，但在混合动力系统中，对电池电压的需求往往大于对电芯容量的需求。在高转速、高功率的工况下（如超速、爬坡等），电驱系统需要更高的转矩/功率输出，这会导致电池和线路压降，影响系统电压的稳定性。传统上，为了满足动力性要求，车厂会采用增加电芯数量的方案来提高系统电压值，但这会显著增加电池成本。如果采用双向DC/DC变换器方案，则可以在不增加电芯数量的前提下，通过调节电压来满足动力性要求。这样不仅可以降低电池成本，还可以提高电池的成本收益。

1、 结构布置的难点

双向DC/DC变换器作为一个单独的系统，需要在混合动力汽车中找到合适的布置空间。从成本和布置要求分析，将其放置在电机控制器和电池附近是较为理想的选择，因为这样可以减少线缆长度和能量损耗。然而，电机控制器和电池附近的空间往往非常紧凑，特别是整车前舱部分，布置空间有限。这给双向DC/DC变换器的布置带来了很大挑战，可能会导致整车设计复杂度增加、制造成本上升以及维护困难等问题。成本和自身损耗降低的难点。双向DC/DC变换器不管采用集成还是单独一套系统，都存在器件成本的增加。

2、集成系统布置难点：

将双向DC/DC变换器集成到电机控制器或电池内部是一种可能的解决方案，但这同样面临一系列挑战。首先，集成系统需要考虑器件的通用性，确保各个部件之间的兼容性和可靠性。其次，冷却系统是另一个重要考虑因素。电机控制器、电池和双向DC/DC变换器在运行过程中都会产生热量，因此需要一个高效的冷却系统来确保它们的正常工作温度。集成系统需要设计一个能够同时满足多个部件散热需求的冷却系统。最后，电磁干扰（EMI）也是一个需要关注的问题。电机控制器、电池和双向DC/DC变换器在工作时都可能产生电磁辐射，相互之间的电磁干扰可能会影响系统的性能和稳定性。因此，在集成系统中需要采取有效的电磁屏蔽和滤波措施来降低电磁干扰。

以上成本需要在增加整车性能提升的条件下，通过优化配置属性结构降低其他器件的成本，来综合满足整车成本目标；对于器件损耗，除提高器件自身的效率外，通过合理的策略和各子系统的优化配置及导通关系，降低高损失的线路使用时间和能量占比来解决。

随着双向DC/DC变换器技术在混合动力系统推广和两路交错集成PCM的技术成熟，将对于整车成本和系统效率产生重要影响。在未来的发展中，双向直流电源有望在更多领域得到应用。随着可再生能源的普及和智能电网的建设，双向直流电源将在能源转换、储存和分配等方面发挥更加重要的作用。此外，电力电子技术的不断进步和成本的降低，将使双向直流电源的性能和可靠性将得到进一步提升，为能源利用和环境保护作出更大的贡献。