用於400V/800V EV架構的差分功率處理車載充電器
作者 : Stefano Lovati
本文提出了一種基於串聯雙有源橋變換器(DAB)的車載充電器(OBC)，它使用並行功率處理來提供基於標準Si 650V MOSFET電晶體的高性能和低成本解決方案。
由於電動車(EV)的進步，下一代汽車將由功率密度不斷增加且成本更低的系統提供動力。OBC在這種情況下是至關重要的元件，因為它們管理電池充電，將外部交流電壓轉換為電池所需的直流電壓。由於新的額定功率和電池技術，OBC技術正在迅速發展。
當前最新的進步之一是開發更高功率和電池電壓的系統，能夠提高功率密度並縮短充電時間。因此，越來越多的系統正在從目前使用的400V電池切換到具有800V匯流排架構的優化系統。更高電壓的電池，例如800V，具有多項優勢，包括更低的電流、更好的熱管理(需要散發的熱量更少)、更快的充電時間以及對操作人員而言更高的安全性。
要實現最佳性能、效率和更高電壓的運行以滿足這些苛刻的要求，需要更高電壓的設備和新穎的拓撲結構。為了在這種情況下實現高效率和高功率密度，本文將提出一種使用差分功率處理的經濟高效的車載充電器結構。所提議的設計基於串聯結構，以增強功率處理能力，並讓使用價格合理的650V矽超接面(Super junction)MOSFET成為可能。通過在3.6kW車載充電器配置中設計、實施和測試該解決方案，證明了該建議的可行性。
差分功率處理
電動車技術是由大量電力電子子系統的支援，包括：
- 電池管理系統：這些設備執行為電池組充電所需的AC-DC轉換
- 負載調節系統：這些設備執行將電池提供的較高電壓(400V/800V)轉換為為連接到12V或48V匯流排的負載供電所需的較低電壓所需的DC-DC轉換
- 動力總成系統：這些設備，包括所謂的主逆變器或牽引逆變器，執行移動電動機所需的DC-AC轉換，在大多數情況下，電動機是一個三相交流感應電動機。
在這種情況下，儲能系統，例如電池、超級電容器、燃料電池和混合儲能系統，起著至關重要的作用。如今，研究的重點是改進這些元件，以更少的成本、體積和重量提供更多的能量。
由於重量減輕、效率更高和充電時間更快等優勢，800V電池技術有望很快取代最先進的400V電池。
負責控制電池充電的關鍵電力電子子系統之一是車載充電器，它通常由一個功率因數校正器(PFC)級和一個DC-DC轉換器組成(圖1)。電池系統、半導體技術的改進以及對必要功率、效率和功率密度的更高需求推動了OBC技術的進步。
圖1：由PFC和DC-DC轉換器組成的經典OBC架構。 (來源：IEEE)
為了在降低成本的同時提供更高的效率和模組化，將提出一種基於差分功率處理概念的新型OBC拓撲。這種拓撲的優勢在於可以使用標準的650V超接面MOSFET技術實現400V和800V電池OBC。
功率轉換器拓撲
所建議的功率轉換器架構是為提供新的800V電池技術而設計的。通過採用差分功率處理，建議的DC-DC策略允許使用額定電壓為650V的設備，這與傳統方法相反，傳統方法是基於採用1200V設備的，至少在輸出DC-DC中是如此。這將使大幅降低成本成為可能。
提出的DC-DC功率轉換器拓撲基於串聯方法，該方法結合了由{MH-ML,Ms,H-Ms-L}構成的DAB，以及由{Dsr,H-Dsr,L}和諧振回路{Lsr,r–Csr}組成的串聯諧振二極體整流器級。所提出的解決方案使用單個變壓器實現經濟高效的實施，標準650V矽元件自動提供精確的輸出電壓分佈。
在此設計中，DAB轉換器根據電池狀態以可變輸出電壓運行，這與具有設定輸出電壓的串聯諧振整流器相反。此外，前者始終工作在諧振頻率下，保證了ZVS/ZCS性能。降低處理功率並提高效率和功率密度，可提供高效的差分功率處理。通過調整DAB初級-次級分支的相移，可以控制兩個轉換器。
實驗結果
原型已實施並用於800V、3.6kW配置，以證明所提出的拓撲的可行性。設計的原型效果圖和實驗測試台如原文所示。這些結果證明了所提出解決方案的可行性，它可以使用標準的矽MOSFET技術並實現具有成本效益的實施。
結論
800V電池系統的能量管理在EV中正在快速發展。本文提出了一種使用並行功率處理的基於DAB的串聯OBC。建議的架構允許使用單個磁性元件和標準Si 650V MOSFET電晶體，從而提供了一種高性能、低成本的解決方案。通過使用3.6kW OBC對所提議的方法進行實驗驗證，證明了該建議的可行性。
本文刊登於EDN China網站
(參考原文：Differential power processing OBC for 400V/800V EV architecture，By Stefano Lovati)
從無線連接、更快的處理和運算、網路安全機制、更複雜的虛擬實境(VR)到人工智慧(AI)等技術，都將在未來的每一個嵌入式系統中發揮更關鍵功能。「嵌入式系統設計研討會」將全面涵蓋在電子產業最受熱議的「智慧」、「互連」、「安全」與「運算」等系統之相關硬體和軟體設計。
會中將邀請來自嵌入式設計相關領域的研究人員、代表廠商以及專家，透過專題演講、產品展示與互動交流，從元件、模組到系統，從概念設計到開發工具，深入介紹嵌入式系統設計領域的最新趨勢、創新和關注重點，並深入分享關於嵌入式系統設計的經驗、成果以及遇到的實際挑戰及其解決方案。
加入LINE@，最新消息一手掌握！
