Använd dubbelriktade effektomvandlare och PFC för att förbättra verkningsgraden för hybrid- och batterifordon och i elnätet

Utvecklare av kraftsystem till hybridelektriska fordon (HEV) och batteridrivna fordon (BEV) står hela tiden under tryck för att förbättra verkningsgraden och tillförlitligheten och samtidigt sänka kostnaderna. Övergången till dubbla 12 volts och 48 volts matningsnivåer har bidragit till att förbättra verkningsgraden genom att minska mängden kablar i fordonet, men det behövs fortfarande speciallösningar för att bättre hantera de två kraftkällorna så att de bättre kompletterar varandra, samtidigt som de möjliggör dubbelriktade fordon-till-nät-lösningar (V2G).

Detta behov har lett till utvecklingen av dubbelriktade omvandlare och dubbelriktade effektfaktorkorrigeringssystem (PFC) som gör det möjligt för konstruktörer att optimera totalprestandan för en elbilskonstruktion med 12/48 volts dubbelmatning och även att ansluta bilen till nätet för dubbelriktat effektflöde.

Denna artikel definierar och utvärderar fördelarna med dubbelriktad effektomvandling i bilsystem och tillhörande standarder. Sedan presenteras lösningar från leverantörer som Texas instruments, Analog Devices ochInfineon Technologies och det visas hur dessa kan användas för att implementera dubbelriktade effektomvandlare.

Vad är dubbelriktad effektomvandling?

I en HEV med en 12/48 volt-arkitektur med dubbla spänningar länkar en dubbelriktad strömförsörjning ihop 12- och 48 volt-systemen så att endera av batterierna kan laddas av det andra. Det gör det också möjligt för varje batteri att ge extra ström till endera spänningsmatningen vid överbelastning (Figur 1). Därigenom kan konstruktörer använda mindre batterier för varje matning, vilket resulterar i högre tillförlitlighet, högre verkningsgrad och lägre kostnad.

Figur 1: En dubbelriktad strömförsörjning i hjärtat av en dubbelspänningsarkitektur länkar ihop 12- och 48 volt-systemen så att varje batteri kan laddas av det andra och ge extra ström vid överbelastning. (Bildkälla: Texas Instruments)

I batteridrivna fordon kan konstruktörer använda dubbelriktad PFC för att möjliggöra dubbelriktad batteriladdning samt V2G-funktionalitet. Ett V2G-system stödjer högre verkningsgrad på flera sätt:

• Det kan återföra energi till nätet under perioder med hög efterfrågan
• Det kan minska laddningshastigheten på batterierna vid behov för att balansera belastningen på nätet
• Det gör att fordonet kan användas för att lagra energi från förnybara energikällor

Dubbla spänningssystem i hybridfordon är fristående i fordonet och förbättrar energiekonomin, men den dubbelriktade laddaren i ett V2G-system är utvecklad för att ge större kostnadsfördelar och även förbättringar av energiekonomin och för att samverka med det omgivande nätet.

Att implementera V2G kräver kommunikationsteknik och algoritmer för att känna av nätstatus, samt förmågan att interagera med laddningsinfrastrukturen till elfordon (Figur 2).

Figur 2: Förutom dubbelriktad effektomvandling måste V2G-system innehålla olika hopkopplings- och kommunikationsstandarder. (Bildkälla: Honda)

Den resulterande V2G-infrastrukturen ger ekonomiska fördelar, inklusive möjligheten att förse elnätet under perioder med hög efterfrågan (vilket potentiellt genererar intäkter för fordonsägaren) och ladda bilbatterierna under perioder med låg elefterfrågan (vilket sänker laddningskostnaden).

Standarder relaterade till dubbelriktad effektomvandling

LV148/VDA320-specifikationerna definierar de elektriska kraven och testförhållandena för att kombinera en 48-voltsbuss och en 12-voltsbuss i fordon med dubbelspänningssystem (Figur 3). LV148 har antagits av de tyska biltillverkarna Audi, BMW, Daimler, Porsche och Volkswagen, och gäller såväl konventionella förbränningsmotorfordon som elhybrider. När detta skrivs är standarden ISO 21780 för ”Vägfordon - 48 V nominell spänning - Elektriska krav och provningar” under utveckling.

Figur 3: LV148/VDA320-specifikationerna definierar de elektriska kraven och testförhållandena för att kombinera en 48-voltsbuss och en 12-voltsbuss i fordon med dubbla spänningssystem. Figuren visar specifikationen för en 48-voltsbuss. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det finns flera kommunikationsprotokoll som kan tillämpas på V2G-system:

• ISO/IEC 15118: Definierar ett V2G-kommunikationsgränssnitt för dubbelriktad laddning/urladdning av elfordon. Det använder Power Line Communication-bredbandsspecifikationen IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) som det bästa protokollet för att säkerställa stabil kommunikation och hög datahastighet. HPGP drivs vid frekvenser mellan 2 MHz och 30 MHz och gör det möjligt för systemet att urskilja giltig data på en ansluten ledning mot brus från andra närliggande källor.
• IEC 61850: Definierar kommunikationsprotokoll för intelligenta elektroniska anordningar i elektriska transformatorstationer som bidrar till att hantera energiflödet mellan förnybara energikällor och matningsutrustning till elfordon (EVSE), såsom exempelvis laddare.

Figur 4: IEC 61850 definierar effekt- och dataflöden för V2G-system och använder IEEE P1901.2 HPGP PLC-specifikationen för att säkerställa stabil kommunikation och hög datahastighet. (Bildkälla: IBIS)

Dubbelriktad flerfas-DC/DC-omvandlare för 12/48 volt-system

Den höga effektnivån för en typisk 12/48 volt dubbelriktad DC/DC-omvandlare resulterar vanligen i användning av en flerfastopologi. En konstruktion med flera faser förbättrar den totala verkningsgraden i omvandlingen genom att den möjliggör fasbortfall, vilket minskar antalet aktiva faser när effektefterfrågan minskar. Flerfaskonstruktioner möjliggör också användning av mindre filterkomponenter på respektive fas utgångar. Genom att använda mindre induktorer förbättras lastens transientkarakteristik. Slutligen uppnås även en lägre rippelström om faserna överlappas på lämpligt sätt.

LM5170-Q1 från Texas Instruments är en dubbelriktad strömstyrning för hög effekt med flera faser, avsedd att hantera strömöverföringen mellan 48- och 12-voltssektionerna i fordon med dubbla batterisystem (Figur 5). Den har inbyggda viktiga analoga funktioner som möjliggör konstruktion av högeffektomvandlare med ett minimalt antal externa komponenter. Flerfasig parallell drift uppnås genom att ansluta två LM5170-Q1-styrenheter för tre- eller fyrfasdrift, eller genom att synkronisera flera styrenheter till fasförskjutna klockor för ett högre antal faser.

Figur 5: Den dubbelriktade strömstyrning LM5170-Q1 hanterar strömöverföring mellan 48- och 12-voltssektionerna i ett dubbelt batterisystem. De röda pilarna markerar det dubbelriktade strömflödet. (Bildkälla: Texas Instruments)

LM5170-Q1 innehåller en tvåkanalig strömavkännande differentialförstärkare och dedikerade kanalströmsmonitorer för att uppnå en strömnoggrannhet på 1 % typiskt sett. Robusta 5 A drivkretsar med halvbrygga kan driva parallella MOSFET-switchar som matar 500 watt eller mer per kanal. Diodemuleringsläget för de synkrona likriktarna förhindrar negativa strömmar, men möjliggör också diskontinuerlig drift för förbättrad verkningsgrad vid lätta laster. De många skyddsfunktionerna inkluderar strömbegränsning på cykelnivå, överspänningsskydd på både hög- och lågspänningsportarna, MOSFET-felavkänning och övertemperaturskydd. Denna styrenhet är klassad som funktionssäker för fordonsbruk.

Texas Instruments erbjuder utvärderingsmodulen LM5170EVM-BIDIR så att utvecklare kan utvärdera LM5170-Q1 i tillämpningar med 12/48 volts dubbla batterisystem. De två faserna körs med 180˚ överlappning och delar jämnt på en likström på maximalt 60 A. Denna utvärderingsmodul innehåller också olika byglingar för att flexibelt och praktiskt kunna konfigurera kretsen till att passa olika användningsfall, inklusive förmåga att styras av en microcontroller och enkelriktade buck- eller boost-omvandlare med hög effekt.

Master/slav-flerfasarkitektur för dubbelriktade omvandlare

Analog Devices erbjuder den switchade buck-boost-regulatorn LT8708 för användning i 12/48 volts dubbelriktade effektomvandlare. LT8708 är en 80 volts synkron 4-switchad dubbelriktad DC/DC-styrenhet som klarar lastströmmar upp till cirka 30 A. För högre strömbehov kan LT8708-huvudstyrningen kombineras med en eller flera slavkretsar. Genom att använda en master/slav-arkitektur kan man sänka kostnaderna för flerfaskonstruktioner eftersom en enda (dyrare) masterkrets kan styra flera (billigare) slavkretsar.

Eftersom slavar är anslutna till mastern ökar de systemets effekt- och strömförmåga proportionellt. Det är dock viktigt att slaven har samma konduktionslägen som LT8708, så att den kan leda ström och effekt i samma riktning som mastern. Mastern reglerar de totala ström- och spänningsgränserna för ett LT8708-flerfassystem och slavarna uppfyller dessa gränser.

En slav kan enkelt parallellkopplas med LT8708 genom att koppla ihop fyra signaler (Figur 6). Två ytterligare strömgränser (framström V_IN och backström V_IN) finns på varje slav som kan ställas in oberoende av varandra.

Figur 6: En DC/DC-omvandlare för 3-fas som använder LT8708-master och -slavkretsarna visar de fyra signalanslutningarna. (Bildkälla: Analog Devices)

Demo-kortet DC2719A från Analog Devices använder en LT8708 kombinerad med en tillhörande slav (LT8708-1) för att mata 40 A ström. Kortet kan fungera i både fram- och backläge. Styrenheten har integrerade in- och utgångsspänningsregulatorer och två uppsättningar in- och utgångsströmregulatorer som styr strömflödet framåt eller bakåt. Funktioner finns som förenklar dubbelriktad effektomvandling i batteri-/kondensatorbackupsystem och andra tillämpningar som kan behöva reglering av V_IN, V_OUT, I_IN och/eller I_OUT.

Dubbelriktad effektfaktorkorrigering för batteridrivna fordon som interagerar med nätet

För konstruktörer av batteridrivna fordon som interagerar med nätet, erbjuder Infineon utvärderingskortet EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, en 3300 W brygglös effektfaktorkorrigerare av totempålstyp med dubbelriktat effektflöde (Figur 7). Detta brygglösa PFC-kort av totempålstyp är avsett för tillämpningar som kräver hög verkningsgrad (cirka 99 %) och hög effekttäthet (4,4 watt per kubikcentimeter).

Bild 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 är ett brygglöst PFC-kort av totempålstyp på 3300 W. (Bildkälla: Infineon)

Totempålstopologin i PFC-tillämpningar med kontinuerlig konduktion (CCM) möjliggörs med hjälp av halvledare med brett bandgap. I detta fall används Infineons IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET i en TO-247 4-stiftskapsling för att öka verkningsgraden till 99 % vid halv last. Omvandlaren arbetar enbart med hög nätspänning (176 Vrms minimum, 230 Vrms nominellt) i CCM med en switchningsfrekvens på 65 kHz.

Denna brygglösa, dubbelriktade totempålsomvandlare (PFC/AC-DC och växelriktare/AC-DC) på 3300 W är en systemlösning utvecklad med Infineons effekthalvledare, drivkretsar och -styrningar. Infineon-enheterna som används i konstruktionen inkluderar:

• 64 mOhm 650 volt CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) i en TO-247-fyrstiftskapsling som PFC-högfrekvensswitchar av totempålstyp
• 17 mOhm 600 volt CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7 ) i en TO-247-kapsling för totempålens PFC-returbana (lågfrekvensbrygga)
• 2EDF7275F isolerade gatedrivkretsar (EiceDRIVER )
• ICE5QSAG QR flyback-regulator och 950 volts CoolMOS P7 MOSFET(IPU95R3K7P7AKMA1) för bias-hjälvmatning
• Infineons microcontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1 för implementering av en PFC-styrning

Totempålen som är implementerad i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet fungerar i CCM i både likriktar- (PFC) och växelriktarläge, med fullt digital styrning genom Infineons microcontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1.

Slutsats

För konstruktörer som vill förbättra verkningsgraden har dubbla arkitekturer för 12/48 volt kommit att bli det bästa valet för hybridelfordon och batteribaserade elfordon. Detta har skapat ett behov av effektiv energihantering för att optimera driften. Det har utvecklats dubbelriktade DC/DC-omvandlare och batteriladdare som låter 12- och 48-volt-system komplettera varandra i fall där endera systemet behöver laddas eller vid överlast.

För batterifordon stödjer ett dubbelriktat PFC-steg ett dubbelriktat strömflöde mellan batteriet och elnätet. Den resulterande V2G-anslutningen ger fler ekonomiska fördelar än bara förbättringar av energiekonomin, såsom möjlighet att mata elnätet under perioder med hög elefterfrågan och att ladda bilbatterierna under perioder med låg elefterfrågan.

Rekommenderad läsning

1. Använda specialomvandlare för att överbrygga gapet mellan 12 V och 48 V i fordonssystem
2. Att integrera elbilar i smarta elnät för stabilitet och säkerhet