Brug tovejs effektkonvertere og PFC til at forbedre HEV, BEV og elnettet effektivitet

Designere af elsystemer til hybrid-elektriske køretøjer (HEV'er) og batteri-elektriske køretøjer (BEV'er) er under konstant pres for at forbedre effektiviteten og pålideligheden, samtidig med at omkostningerne skal sænkes. Mens overgangen til dobbelte 12 volt og 48 volt strømskinner har bidraget til at forbedre effektiviteten ved at reducere chassisets ledningsvægt, har designere brug for dedikerede løsninger til bedre styring af de to strømkilder, så de bedre kan understøtte hinanden, samtidig med at køretøjet understøtter tovejs køretøj-til-netværk (V2G)-applikationer.

Dette behov har ført til udviklingen af tovejskonvertere og tovejs systemer til effektfaktorkorrektion (PFC), der gør det muligt for designere at optimere den samlede ydelse af et dobbelt 12/48 volt elektrisk køretøj (EV) design og også oprette forbindelse til nettet til tovejs strømflow.

Denne artikel definerer og gennemgår fordelene ved tovejs effektkonvertering i bilsystemer og tilhørende standarder. Derefter introducerer det løsninger fra leverandører som f.eks Texas Instruments, Analog Devices og Infineon Technologies og viser, hvordan de kan bruges til at implementere tovejs effektkonvertere.

Hvad er tovejs effektkonvertering?

I en HEV med en 12/48 volt arkitektur med dobbelt spænding forbinder en tovejs strømforsyning 12 volt og 48 volt systemerne, så begge batterier kan genoplades af det andet. Det giver også hvert batteri mulighed for at levere ekstra strøm til begge spændingsskinner i tilfælde af overbelastning (figur 1). Som et resultat kan designere bruge mindre batterier til hver, hvilket resulterer i højere pålidelighed, større effektivitet og lavere omkostninger.

Figur 1: En tovejs strømforsyning i hjertet af en dobbelt spændings-arkitektur forbinder 12 volt- og 48 volt-systemerne, så hvert batteri kan genoplades af det andet og give ekstra strøm i tilfælde af overbelastning. (Billedkilde: Texas Instruments)

I BEV'er kan designere bruge tovejs PFC til at understøtte tovejs batteriopladning samt V2G-drift. Et V2G-system understøtter højere effektivitet på flere måder:

• Det kan returnere energi til nettet i perioder med stor efterspørgsel
• Det kan reducere opladningshastigheden på batterierne efter behov for at hjælpe med at afbalancere belastningen på nettet
• Det gør det muligt at bruge køretøjet til at lagre energi fra vedvarende energikilder

Mens dobbelt spændings-systemer i HEV'er er selvstændige i køretøjet og forbedrer brændstoføkonomien, er den tovejs opladere i et V2G-system designet til at medføre bredere omkostningsfordele ud over forbedringer i brændstoføkonomien og skal interface med omverdenen.

Implementering af V2G kræver kommunikationsteknologier og algoritmer for at registrere netstatus samt evnen til at interface med infrastruktur til opladning af elbiler (figur 2).

Figur 2: Ud over tovejs effektkonvertering skal V2G-systemer omfatte forskellige sammenkoblings- og kommunikationsstandarder. (Billedkilde: Honda)

Den resulterende V2G-infrastruktur medfører økonomiske fordele, herunder evnen til at levere strøm til nettet i perioder med maksimal efterspørgsel (potentielt generere indtægter for køretøjsejeren) og genopladning af køretøjsbatterier i perioder med lav efterspørgsel efter elektricitet (reducerende omkostninger til køretøjsopladning).

Standarder relateret til tovejs effektkonvertering

LV148/VDA320-specifikationerne definerer de elektriske krav og testbetingelser for at kombinere en 48 volt bus og en 12 volt bus i dobbelt spændings-bilsystemer (figur 3). LV148 er blevet vedtaget af tyske bilproducenter Audi, BMW, Daimler, Porsche og Volkswagen, og det gælder for konventionelle forbrændingskøretøjer såvel som HEV'er. På tidspunktet for dette skrives ISO 21780-standarden for “Road vehicles – Supply voltage of 48 V – Electrical requirements and tests” Er under udvikling.

Figur 3: LV148/VDA320-specifikationerne definerer de elektriske krav og testbetingelser for at kombinere en 48 volt bus og en 12 volt bus i dobbelt spændings-bilsystemer; vist er specifikationen for en 48 volt bus. (Billedkilde: Texas Instruments)

Der er flere kommunikationsprotokoller, der kan gælde for V2G-systemer, herunder:

• ISO/IEC 15118: Definerer en V2G-kommunikationsinterface til tovejs opladning/afladning af elektriske køretøjer. Den bruger IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) bredbånds Power Line Communication (PLC) specifikation som den bedste protokol for at sikre robust kommunikation og en høj datahastighed. HPGP fungerer ved frekvenser mellem 2 MHz og 30 MHz og gør det muligt for systemet at skelne gyldige data på en tilsluttet linje mod støj fra andre nærliggende kilder.
• IEC 61850: Definerer kommunikationsprotokoller til intelligente elektroniske enheder på elektriske understationer, der kan hjælpe med at styre energistrømmen mellem vedvarende elressourcer og elforsyningsudstyr (EVSE) til elbiler, såsom opladere.

Figur 4: IEC 61850 definerer strøm og datastrømme til V2G-systemer og bruger IEEE P1901.2 HPGP PLC-specifikationen for at sikre robust kommunikation og en høj datahastighed. (Billedkilde: IBIS)

Tovejs flerfaset DC/DC-konvertere til 12/48 volt systemer

Det høje effektniveau for en typisk 12/48 volt tovejs DC-DC-konverter resulterer normalt i brugen af en flerfasetopologi. Et flerfasedesign forbedrer den samlede konverteringseffektivitet ved at muliggøre fasefald, hvilket reducerer antallet af aktive faser, når efterspørgslen efter strøm falder. Flerfasedesign muliggør også brugen af mindre filterkomponenter på udgangene i hver fase, samt brugen af mindre induktorer forbedrer belastningens forbigående ydeevne. Endelig resulterer betjening af faserne med den passende sammenfladning i lavere output rippel.

Det LM5170-Q1 fra Texas Instruments er en højtydende, flerfaset tovejs strømstyring beregnet til at styre strømoverførsel mellem 48 volt sektionen og 12 volt sektionen i bilers dobbeltbatterisystemer (figur 5). Det integrerer vigtige analoge funktioner, der muliggør design af højeffekts-konvertere med et minimalt antal eksterne komponenter. Multiphase parallel operation opnås ved at forbinde to LM5170-Q1-controllere til tre- eller firefasedrift eller ved at synkronisere flere controllere til faseforskudte clock-enheder til et højere antal faser.

Figur 5: LM5170-Q1 flerfaset tovejs strømstyring styrer strømoverførsel mellem 48 volt og 12 volt sektionerne i et automotiv dobbelt batterisystem; de røde pile fremhæver den tovejsstrøm. (Billedkilde: Texas Instruments)

LM5170-Q1 inkluderer dobbeltkanal differentiel strømfølsom forstærker og dedikerede lstrømkanals-monitorer for at opnå en typisk strømnøjagtighed på 1 %. Robuste 5-ampere (A) halvbro-portdrivere er i stand til at køre parallelle MOSFET-switche, der leverer 500 watt eller mere pr. kanal. Diode-emuleringstilstanden for de synkrone ensrettere forhindrer negative strømme, men muliggør også diskontinuerlig drift for forbedret effektivitet med lette belastninger. Alsidige beskyttelsesfunktioner inkluderer cyklus-for-cyklus strømbegrænsning, overspændingsbeskyttelse ved både højspændings- og lavspændings-porte, detektering af MOSFET-fejl og beskyttelse mod overtemperatur. Denne controller er i stand til bilfunktionel sikkerhed.

Texas Instruments tilbyder LM5170EVM-BIDIR evalueringsmodul, så ingeniører kan evaluere LM5170-Q1 i 12/48 volt system med dobbeltbatteri. De to faser fungerer i 180 ° interleaved drift, og de deler jævnt en maksimal jævnstrøm op til 60 A. Dette evalueringsmodul inkluderer også forskellige springere til fleksibelt og bekvemt at konfigurere kredsløbet til at passe til mange forskellige brugssituationer, herunder evnen til at være styret af en mikrocontroller (MCU) og højeffektiv ensrettet buck eller boost-konverter.

Master/slave-flerfasearkitektur til tovejskonvertere

Analog Devices tilbyder LT8708 buck-boost switch-regulator controller til brug i 12/48 volt tovejs effektkonvertere. LT8708 er en 80 volt synkron 4-switch buck-boost DC/DC-controller med tovejs kapacitet, der kan understøtte belastningsstrømme op til ca. 30 A. For højere strømbehov kan LT8708 master controller kombineres med en eller flere slave-chips. Brugen af en master/slave-arkitektur kan reducere omkostningerne i flerfasedesign, da en enkelt (dyrere) master-IC kan styre flere (lavere omkostninger) slave-IC'er.

Da slaver er forbundet til masteren, øger de systemets strøm og strømfunktion proportionalt. Det er dog vigtigt, at slaven har de samme ledningstilstande som LT8708, så den kan lede strøm og effekt i samme retning som masteren. Masteren styrer de samlede strøm- og spændingsgrænser for et LT8708 flerfasesystem, og slaverne overholder disse grænser.

En slave kan let parallelleres med LT8708 ved at forbinde fire signaler sammen (figur 6). To yderligere strømgrænser (fremad V_IN nuværende og omvendt V_IN strøm) er tilgængelige på hver slave, der kan indstilles uafhængigt.

Figur 6: En tre-faset DC/DC-konverter, der bruger LT8708 (master) og slave-IC'erne fremhæver de fire signalforbindelser. (Billedkilde: Analog Devices)

DetDC2719A demokort fra Analog Devices bruger en LT8708 kombineret med en tilknyttet slave (LT8708-1) til at levere 40 A strøm. Kortet kan fungere i både fremad og reverseret tilstand. Controlleren har integrerede indgangsspændings- og udgangsspændingsregulatorer og to sæt indgangs- og udgangsstrømsregulatorer, der styrer strømmen i fremad eller rverseret retning. Funktioner er inkluderet der forenkler tovejs strømkonvertering i backup-/batterikondensatorsystemer og andre applikationer, der muligvis kræver regulering af V_IN, V_OUT, I_IN og/eller I_OUT.

Tovejs PFC for net-interaktive BEV'er

Infineon tilbyder designere af interaktive BEV'er på nettet EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 evalueringskort, en 3300 W brofri totempæl effektfaktorkorrigerer med tovejs effektfunktion (figur 7). Dette brofri totempæl PFC-kort er beregnet til applikationer, der kræver høj effektivitet (ca. 99%) og høj effekttæthed (72 watt pr. Kubikcentimeter).

Figur 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 er et brofri totempæl PFC-kort på 3300 W. (Billedkilde: Infineon)

Totempæl-topologien i PFC-applikationer med kontinuerlig ledningsfunktion (CCM) gøres mulig ved brug af brede båndafstand halvledere. I dette tilfælde Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET i en TO-247 4-bens pakke bruges til at skubbe effektiviteten til 99 % ved halv belastning. Konverteren fungerer udelukkende ved en høj netspænding (176 volt rms minimum, 230 volt rms nominel) i CCM med en skiftefrekvens på 65 kilohertz (kHz).

Denne 3300 W brofri tovejs (PFC/AC-DC og inverter/AC-DC) totempæl er en systemløsning udviklet med Infineon power halvledere samt Infineon drivere og controllere. Infineon-enhederne, der anvendes i designet, inkluderer:

• 64 milliohm (mΩ) 650 volt CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) i en TO-247 4-bens pakke som totempæl PFC højfrekvente switche
• 17 mΩ 600 volt CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7) i en TO-247-pakke til totempæl PFC-returvej (lavfrekvent bro)
• 2EDF7275F isolerede portdrivere (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR flyback controller og 950 volt CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1) til bias-hjælpeforsyning
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon-mikrocontroller til implementering af PFC-kontrol

Totempælen implementeret i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet fungerer i CCM i både ensretter (PFC) og invertertilstand med fuld digital kontrolimplementering ved hjælp af Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1 mikrocontroller.

Konklusion

Med designere, der ønsker at forbedre effektiviteten, er 12/48 volt arkitekturer med dobbelt spænding opstået som den valgte topologi for HEV'er og BEV'er. Dette har skabt et behov for effektiv strømstyring for at optimere deres brug. Tovejs DC/DC-konvertere og batteriopladere er opstået for at tillade 12 volt og 48 volt systemer at understøtte hinanden i tilfælde, hvor man skal genoplades eller i tilfælde af en overbelastningstilstand.

I tilfælde af BEV'er understøtter et tovejs PFC-platform også tovejs strømflow mellem batteriet og forsyningsnettet. Den resulterende V2G-forbindelse bringer økonomiske fordele ud over forbedringer i brændstoføkonomi, herunder evnen til at levere strøm til nettet i perioder med maksimal efterspørgsel og genopladning af køretøjsbatterier i perioder med lav efterspørgsel efter elektricitet.

Anbefalet læsning

1. Brug specialiserede effektkonvertere til at bygge bro mellem det dobbelte mellem 12 og 48 volt i bilsystemer
2. Inddragelse af elbiler i smart-grid'en for stabilitet og sikkerhed