Bruk toveis strømomformere og PFC for å forbedre HEV, BEV og virkningsgrad mot det elektriske nettet

Konstruktører av strømsystemer for hybridelektriske kjøretøyer (HEV-er) og elektriske batterikjøretøyer (BEV-er) er under konstant press for å forbedre virkningsgraden og påliteligheten, samt senke kostnadene. Selv om overgangen til doble 12 volt og 48 volt strømskinner har bidratt til å forbedre virkningsgraden ved å redusere understellets ledningsvekt, trenger designere dedikerte løsninger for bedre å administrere de to strømkildene slik at de bedre kan støtte hverandre, samtidig som kjøretøyet kan støtte toveis kjøretøy-til-nett-utrustninger (vehicle-to-grid – V2G).

Dette behovet har ført til utvikling av toveis omformere og toveis systemer for effektfaktorkorreksjons (power factor correction – PFC) som gjør det mulig for konstruktører å optimalisere den samlede ytelsen til en dobbel 12 / 48 volt elektrisk kjøretøykonstruksjon (EV) og også koble til nettet for toveis strømflyt.

Denne artikkelen definerer og gjennomgår fordelene ved toveis strømomforming i bilsystemer og tilhørende standarder. Deretter introduseres løsninger fra leverandører som Texas Instruments, Analog Devices og Infineon Technologies og viser hvordan de kan brukes til å implementere toveis strømomformere.

Hva er toveis strømomforming?

I en HEV med arkitekturen for to spenninger på 12 volt / 48 volt, forbinder en toveis strømforsyning 12 volt og 48 volt systemene slik at begge batterier kan lades opp av det andre. Det gjør det også mulig for hvert batteri å gi ekstra strøm for begge spenningsskinnene i tilfelle overbelastningstilstand (figur 1). Som et resultat kan designere bruke mindre batterier for hver, noe som resulterer i høyere pålitelighet, større virkningsgrad og lavere kostnader.

Figur 1: En toveis strømforsyning i hjertet av en arkitektur for to spenninger forbinder 12 volt og 48 volt systemene slik at hvert batteri kan lades opp av det andre og gi ekstra strøm i tilfelle overbelastningstilstand. (Bildekilde: Texas Instruments)

I elektriske batterikjøretøyer (BEV-er) kan designere bruke toveis PFC for å støtte toveis batterilading, så vel som V2G-drift. Et V2G-system støtter høyere virkningsgrad på flere måter:

• Det kan returnere energi til nettet i perioder med høy etterspørsel
• Det kan redusere ladningshastigheten på batteriene etter behov for å bidra til å balansere belastningen på nettet
• Det gjør det mulig å bruke kjøretøyet til å lagre energi fra fornybare energikilder

Mens systemer for to spenninger i tunge kjøretøyer er selvstendige i kjøretøyet og forbedrer drivstofføkonomien, er den toveis laderen i et V2G-system konstruert for å gi bredere kostnadsfordeler utover forbedringer i drivstofføkonomien og må ha grensesnitt mot omverdenen.

Implementering av V2G krever kommunikasjonsteknologi og algoritmer for å registrere nettets status, så vel som evnen til å ha grensesnitt mot infrastrukturen for lading av elektriske kjøretøyer (figur 2).

Figur 2: I tillegg til toveis strømomforming må V2G-systemer inkludere ulike forbindelsenes- og kommunikasjonsstandarder. (Bildekilde: Honda)

Den resulterende V2G-infrastrukturen gir økonomiske fordeler, inkludert evnen til å levere strøm til nettet i perioder med høy etterspørsel (potensielt generere inntekter for kjøretøyeieren) og lade kjøretøyets batterier i perioder med lav etterspørsel etter elektrisk kraft (redusere kjøretøyets ladekostnader).

Standarder knyttet til toveis strømomforming

Spesifikasjonene LV148/VDA320 definerer de elektriske kravene og testforholdene for å kombinere en 48 volts buss og en 12 volts buss i bilsystemer for to spenninger (figur 3). LV148 er tatt i bruk av tyske bilprodusenter Audi, BMW, Daimler, Porsche og Volkswagen, og gjelder både konvensjonelle forbrenningskjøretøyer og hybridelektriske kjøretøyer (HEV-er). I skrivende stund er ISO 21780-standarden for «Veikjøretøyer – forsyningsspenning på 48 V – elektriske krav og tester» under utvikling.

Figur 3: LV148 / VDA320-spesifikasjonene definerer de elektriske kravene og testforholdene for å kombinere en 48 volt buss og en 12 volt buss i bilsystemer for to spenninger; vist er spesifikasjonen for en 48 volt buss. (Bildekilde: Texas Instruments)

Det er flere kommunikasjonsprotokoller som kan gjelde for V2G-systemer, inkludert:

• ISO/IEC 15118: Definerer et V2G-kommunikasjonsgrensesnitt for toveis lading/utladning av elektriske kjøretøyer. Den bruker IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP)-spesifikasjonen for kommunikasjon for bredbåndsstrømlinje (Power Line Communication – PLC) som den beste protokollen for å sikre robust kommunikasjon og høy datahastighet. HPGP opererer ved frekvenser mellom 2 MHz og 30 MHz, og gjør det mulig for systemet å skille gyldige data på en tilkoblet linje mot støy fra andre nærliggende kilder.
• IEC 61850: Definerer kommunikasjonsprotokoller for intelligente elektroniske enheter på elektriske transformatorstasjoner som kan bidra til å styre energistrømmen mellom fornybare elektrisitetsressurser og elektrisk kjøretøyforsyningsutstyr (EVSE), for eksempel ladere.

Figur 4: IEC 61850 definerer strøm- og dataflyt for V2G-systemer og bruker IEEE P1901.2 HPGP PLC-spesifikasjonen (spesifikasjonen for kommunikasjon for bredbåndsstrømlinje) for å sikre robust kommunikasjon og høy datahastighet. (Bildekilde: IBIS)

Toveis flerfasede DC–DC-omformere for 12/48 volt systemer

Det høye effektnivået til en typisk 12 volt / 48 volt toveis DC–DC-omformer resulterer vanligvis i bruk av en flerfaset topologi. En flerfaset utforming forbedrer den generelle konverteringsvirkningsgraden ved å aktivere fasereduksjon og reduserer antallet aktive faser etter hvert som behovet for strøm reduseres. Flerfasekonstruksjoner gjør det også mulig å bruke mindre filterkomponenter på utgangene av hver fase; bruk av mindre induktorer forbedrer lasttransientytelsen. Til slutt kan man oppnå lavere utgangsrippel ved at fasene drives med med passende overlapping.

LM5170-Q1 fra Texas Instruments er en flerfaset toveisstrømkontroller med høy ytelse beregnet på å håndtere strømoverføring mellom 48-volts delen og 12-volts delen av bilsystemer med to batterier (figur 5). Den integrerer essensielle analoge funksjoner som gjør det mulig å konstruere høyeffektomformere med et minimalt antall eksterne komponenter. Flerfaset parallelloperasjon oppnås ved å koble to LM5170-Q1-regulatorer for tre- eller firefaseoperasjon, eller ved å synkronisere flere strømstyringer til faseforskjøvede klokker for et høyere antall faser.

Figur 5: Flerfaset toveisstrømkontroller LM5170-Q1 håndterer strømoverføring mellom 48-volts og 12-volts delene av et bilsystem med to batterier; de røde pilene fremhever toveisstrømflyten. (Bildekilde: Texas Instruments)

LM5170-Q1 inkluderer tokanals strømfølende differensialforsterkere og dedikerte kanalstrømskjermer for å oppnå typisk strømnøyaktighet på 1 %. Robuste 5 amperes halvbro-portdrivere er i stand til å drive parallelle MOSFET-brytere som leverer 500 watt eller mer per kanal. Diodeemuleringsmodus for synkrone likerettere forhindrer negative strømmer, men muliggjør også diskontinuerlig modus for bedre virkningsgrad med lette laster. Alsidige beskyttelsesfunksjoner inkluderer syklus-for-syklus-strømbegrensning, overspenningsbeskyttelse ved både høyspennings- og lavspenningsportene, MOSFET-feildeteksjon og beskyttelse mot overtemperatur. Denne styringsenheten er kapabel til funksjonell sikkerhet i biler.

Texas Instruments tilbyr LM5170EVM-BIDIR-evalueringsmodulen slik at ingeniører kan evaluere LM5170-Q1 i 12 volt / 48 volt utrustninger med to batterier. De to fasene opererer i 180˚ overlappende drift, og de deler jevnt en maksimal likestrøm opptil 60 A. Denne evalueringsmodulen inkluderer også ulike jumpere for fleksibeltog praktisk å konfigurere kretsen slik at den passer til mange forskjellige brukstilfeller, inkludert muligheten til å styres av en mikrokontroller (MCU) og enveis omformer for nedtransformering eller opptransformering med høy effekt.

Master / slave flerfasearkitektur for toveis omformere

Analoge enheter tilbyr LT8708 ned- eller opptransformering (buck-boost)-svitsjet regulator for bruk i 12 volt / 48 volt toveis strømomformere. LT8708 er en 80 volts synkron 4-bryters DC-DC-styreenhet med bøtteøkning med toveis kapasitet som kan støtte laststrømmer opptil ca. 30 A. For høyere strømbehov kan hovedstyreenheten LT8708 benyttes sammen med en eller flere slavebrikker. Bruk av en master-/slavearkitektur kan redusere løsningskostnadene i flerfasedesign siden en enkelt (dyrere) master-IC kan kontrollere flere (lavere kostnad) slave-IC-er.

Etter hvert som slaver er koblet til masteren, øker de proporsjonalt systemets kraft og strømkapasitet. Det er imidlertid viktig at slaven har de samme ledningsmodusene som LT8708, slik at den kan lede strøm og strøm i samme retning som masteren. Masteren kontrollerer de overordnede strøm- og spenningsgrensene for et LT8708-flerfasesystem, og slavene overholder disse grensene.

En slave kan lett parallelleres med LT8708 ved å koble fire signaler sammen (figur 6). To ytterligere strømgrenser (fremover V_IN-strøm og bakover V_INN-strøm) er tilgjengelige på hver slave som kan stilles uavhengig.

Figur 6: En trefaset DC-DC-omformer med LT8708 (master) og slave-IC-er fremhever de fire signalforbindelsene. (Bildekilde: Analog Devices)

DC2719A-demokortet fra Analog Devices bruker en LT8708 kombinert med en tilknyttet slave (LT8708-1) for å levere 40 A strøm. Kortet kan operere i både fremover- og bakovermodus. Regulatoren har integrerte inngangsspennings- og utgangsspenningsregulatorer, og to sett med inngangs- og utgangsstrømsregulatorer som styrer strømgjennomstrømningen i fremover eller bakover retning. Funksjoner er inkludert som forenkler toveis strømomforming i backup- / kondensator-backup-systemer og andre utrustninger som kan trenge regulering av V_INN, V_UT, I_INN og/eller I_UT.

Toveis effektfaktorkorreksjon for nettinteraktive elektriske batterikjøretøyer (BEV-er)

Infineon tilbyr for designere av nettsamhandlende elektriske batterikjøretøyer (BEV-er)EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-evalueringskortet, en 3300 W totempåle-effektfaktorkorrektor uten broer med toveis strømkapasitet (figur 7). Dette brofrie totempåle-PFC-kortet er beregnet for utrustninger som krever høy virknigsgrad (ca. 99 %) og høy effekttetthet (72 watt per kubikkmeter).

Figur 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 er et 3300 W brofritt totempåle-PFC-kort. (Bildekilde: Infineon)

Totempåletopologien i PFC-utrustninger med CCM-drift (kontinuerlig ledningsmodus) gjøres mulig ved bruk av brede båndgap halvledere. I dette tilfellet er InfineonIMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET-en i en TO-247 firepinnskapsling som brukes til å presse virkningsgraden til 99 % ved halv belastning. Omformeren fungerer utelukkende ved en høy linjespenning (176 volt rms minimum, 230 volt rms nominelt) i CCM med en 65 kilohertz (kHz) vekslingsfrekvens.

Denne 3300 W totempålen uten broer for to retninger (PFC/AC–DC og inverter/AC–DC) er en systemløsning utviklet med Infineon-krafthalvledere, så vel som Infineon-drivere og -regulatorer. Infineon-enhetene som brukes i konstruksjonen inkluderer:

• 64 milliohm (mΩ) 650 volt CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) i en TO-247 firepinnspakke som totempåle-PFC-høyfrekvensbrytere
• 17 mΩ 600 volt CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7 ) i en TO-247-kapsling for totempåle-PFC-returbane (lavfrekvent bro)
• 2EDF7275F isolerte portdrivere (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR flyback -kontroller og 950 volt CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1 ) for bias -tilleggsforsyningen
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon-mikrokontroller for implementering av PFC-regulering

Totempålen implementert i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet opererer i CCM i både likeretter (PFC) og omformermodus, med full digital kontrollimplementering ved hjelp av Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1-mikrokontrolleren.

Konklusjon

Med designere som ønsker å forbedre virkningsgraden, har arkitekturen for to spenninger på 12 volt / 48 volt vokst frem som topologien for valg for hybridelektriske kjøretøyer (HEV-er) og elektriske batterikjøretøyer (BEV-er). Dette har skapt et behov for strømstyring med høy virkningsgrad for å optimalisere bruken av dem. Toveis DC–DC-omformere og batteriladere har oppstått for å gjøre det mulig for 12 volt og 48 volt systemer å støtte hverandre i tilfeller der ett må lades opp, eller i tilfelle overbelastningstilstand.

Når det gjelder elektriske batterikjøretøyer (BEV-er), støtter et toveis PFC-trinn toveis strømflyt mellom batteriet og strømnettet. Den resulterende V2G-tilkoblingen gir økonomiske fordeler utover forbedringer i drivstofføkonomien, inkludert evnen til å levere strøm til nettet i perioder med høy etterspørsel, og lade kjøretøyets batterier i perioder med lav etterspørsel etter elektrisk kraft.

Anbefalt lesing

1. Bruk spesialiserte strømomformere for forbindelse mellom 12 V og 48 V bilelektriske systemer
2. Å bringe elbiler inn i det smarte rutenettet for stabilitet og sikkerhet