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)

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