УДК 681.3.06

АВТОМОБИЛЬНЫЕ РЕВЕРСИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Яковлев Вадим Фридрихович
Самарский государственный технический университет
кандидат технических наук, доцент кафедры Теоретическая и общая электротехника

Аннотация
На автомобилях могут использоваться электрические сети с двумя уровнями напря-жения для мощных и маломощных потребителей.
Для питания маломощного электрооборудования на автомобилях с высоковольтной силовой сетью используются реверсивные преобразователи постоянного напряжения, позво-ляющие производить обмен энергией между сетями.
В этой статье рассматривается работа силовой схемы автомобильного реверсивного источника питания маломощных потребителей.

Ключевые слова: Автомобильная высоковольтная электросеть, аккумуляторная батарея, реверсивный источник электропитания, электрооборудование автомобилей.


AUTOMOTIVE BIDIRECTIONAL DC/DC CONVERTERS

Yakovlev Vadim Fridrihovich
Samara state technical university
PhD in Technical Science, Assistant Professor, the chair of Electrotechnology

Abstract
Automobiles may have power nets with two levels of voltage for heavy and light loads.
Bidirectional DC/DC converters are used as auxiliary power supply to step down a higher voltage for light loads and to reverse current flow if needed.
The article analyzes topology of automotive bidirectional DC/DC converters.

Keywords: automotive electric systems., Automotive high voltage power net, bidirectional DC/DC converter, rechargeable battery


Библиографическая ссылка на статью:
Яковлев В.Ф. Автомобильные реверсивные источники питания // Современная техника и технологии. 2014. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/09/4384 (дата обращения: 01.10.2017).

Автомобили с напряжением силовой сети 42 В имеют также низковольтную сеть 14 В для подключения маломощных потребителей: световые приборы, электронные блоки управления, датчики и т.д. [1, 2].

Для питания низковольтного электрооборудования на автомобилях с высоковольтной силовой сетью используются понижающие преобразователи постоянного напряжения с буферными аккумуляторными батареями [3, с.84].

Источники питания низковольтных потребителей получают энергию из высоковольтной сети. При неработающем двигателе, если аккумуляторная батарея в силовой сети разряжена, возникает необходимость в передаче энергии от буферной батареи в высоковольтную сеть, поэтому преобразователи в источниках электропитания низковольтных потребителей, как правило, выполняются реверсивными [4, с.96; 5, с.309].

Иногда водитель не может запустить двигатель своего автомобиля из-за разряженной аккумуляторной батареи (например, фары были оставлены длительное время с включенными). В этом случае общей практикой является подключение выводов проблемной аккумуляторной батареи к исправной батарее другого автомобиля − «прикуривание».

Эта операция небезопасна. Неквалифицированный пользователь может допустить переполюсовку, что приводит к выходу из строя части электронного оборудования, дугообразованию с нанесением пользователю электротравм, может произойти взрыв водорода под капотом, который является побочным продуктом работы аккумуляторной батареи.

«Прикуривание» в сети 42 В становится еще более опасным. Есть так же риск неверного соединения между собой сетей 14 В и 42 В. В целях обеспечения электробезопасности  выводы аккумуляторной батареи с напряжением 36 В и силовая электрическая сеть 42 В сделаны недоступными для «прикуривания».

На гибридных автомобилях, где напряжение в силовой сети достигает 150 ÷ 400 В, «прикуривание» запрещено.

Аккумуляторная батарея в сети 14 В может использоваться как для получения энергии от внешнего источника («прикуривание»), так и в качестве резервного источника энергии для батареи 36 В при ее разрядке (внутреннее «прикуривание»). На рисунке 1 показана структурная схема взаимодействия сетей 14 В и 42 В.

Рис.1.Структурная схема взаимодействия сетей 42 В и 14 В

ССГ – совмещенный стартер-генератор, 1 – трехфазный обратимый инвертор, 2 – аккумуляторная батарея 36 В, 3 – потребители в сети 42 В, 4 – реверсивный преобразователь постоянного напряжения, 5 – батарея 12 В, 6 – потребители в сети 14 В.

По результатам исследований специалистов фирмы Daimler Chrysler при температуре -10 ˚С достаточно всего лишь трех минут подкачки стартерной аккумуляторной батареи напряжением 36 В от батареи в сети 14 В, чтобы прокрутка двигателя была успешной. При этом из сети 14 В потребляется ток 50 А [6, с.142].

Для автомобильных реверсивных преобразователей напряжения 42/14 В обычно предлагается такая реализация силовой схемы (Рис.2) [6, с.142].

Рис.2. Схема реверсивного преобразователя напряжения

В режиме передачи энергии из сети с напряжением 42 В в сеть с напряжением 14 В работают транзистор VT1, диод VD2 и дроссель L. В такой конфигурации схема выполняет функции однотактного регулируемого преобразователя понижающего типа. Вход и выход преобразователя гальванически связаны.

Схема на рис. 2 позволяет получить на выходе 14 В напряжение меньше напряжения 42 В на входе. Стабилизаторы подобного типа содержат силовой регулирующий транзистор VT1, фильтр L и VD2, и схему управления, состоящую из импульсного элемента; схемы сравнения и усилителя.

В стабилизаторе реализован режим широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), тогда постоянная составляющая в выходном напряжении равна: [7, с.97]:

Uвых = Uвх γ,                                                           (1)

где величина γ показывает какую часть периода T силовые транзисторы находятся в проводящем состоянии (коэффициент заполнения).

Регулировочная характеристика (1) выполняется при безразрывном токе дросселя, для этого необходимо, чтобы  L > Lкр.

Lкр = Uвых (1 – γ)/2fп·Iн min,                                                      (2)

где fп – частота преобразователя, Iн min − минимальный ток нагрузки.

Преобразователь повышающего типа дает возможность получать напряжение на выходе больше, чем на входе. В этом режиме работают транзистор VT2, диод VD1 и дроссель L (Рис.2).

В этом режиме в интервале, когда регулирующий транзистор VT2 открыт, ток дросселя L растет. На коммутирующий диод VD1 подается запирающее обратное напряжение, которое равно напряжению в высоковольтной сети. Напряжение на дросселе равно напряжению в низковольтной сети, т.е. 14 В, в дросселе накапливается электромагнитная энергия. При запирании транзистора VT2 в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции, которая суммируется с напряжением низковольтной сети. В интервале непроводящего состояния регулирующего транзистора под действием суммы напряжения в сети 14 В и ЭДС самоиндукции обмотки дросселя отпирается коммутирующий диод VD1 и энергия из дросселя начинает поступать в сеть 42 В. Напряжение на закрытом транзисторе VT2 равно выходному напряжению стабилизатора. Постоянная составляющая выходного напряжения в этом режиме работы схемы равна [7, с.112]:

Uвых = Uвх γ/(1 – γ)                                                         (3)

Отметим, что преобразователи повышающего типа имеют худшие массогабаритные показатели и КПД по сравнению с понижающей схемой [7, с.112; 8, с.40].


Библиографический список
  1. 42-volt electrical system // Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/42-volt_electrical_system (дата обращения 3.08.2014)
  2. Яковлев В.Ф. Использование в автомобильной электросети напряжения 42 В // Современная техника и технологии. – Ноябрь 2013. – № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2013/11/2578 (дата обращения: 7.08.2014).
  3. Яковлев В.Ф. Определение параметров преобразователя 42/14 В для электропитания ламп блок-фары. Тамбов, Альманах современной науки и образования, №11, 2009, с.92-94.
  4. Яковлев В.Ф. Евтушек А.Ю., Есин М.В. Гибридные системы электроснабжения автомобилей напряжениями 14 В и 42 В. Тамбов, Альманах современной науки и образования, №11, 2009, с.96-97.
  5. PistoiaG. Electric and hybrid vehicles.Amsterdam: Elsevier, 2010. 645 c.
  6. Frank R. Semiconductors and 42-V power supplies. Automotive Engineering international, 2000, с. 140-147.
  7. Гейтенко Е.Н. источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. – М., Солон-Пресс, 2008. – 379 с.
  8. Высоцкий В.Е., Коломийцев Ю.Н., Гуртов А.С., Филатов А.Н. Анализ структурной схемы электропитания автономного объекта как замкнутой системы автоматического регулирования. Москва, Механотроника, автоматизация, управление, №4, 2013, с. 39 – 43.


Все статьи автора «Яковлев Вадим Фридрихович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: