Paranna HEV- ja BEV-ajoneuvojen sekä sähköverkon tehokkuutta käyttämällä kaksisuuntaisia virtamuuntajia ja PFC:tä

Sähkökäyttöisten hybridiajoneuvojen (HEV) ja akkukäyttöisten sähköajoneuvojen (BEV) sähköjärjestelmien suunnittelijat ovat jatkuvasti paineessa tehokkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi sekä kustannusten laskemiseksi. Vaikka siirtyminen 12 voltin ja 48 voltin kaksoiskiskoihin on auttanut parantamaan tehokkuutta vähentämällä rungon johdotuksen painoa, suunnittelijat tarvitsevat dedikoituja ratkaisuja hallitakseen paremmin kahta virtalähdettä, jotta ne voivat paremmin tukea toisiaan ja samalla tukea kaksisuuntaisia ajoneuvosta verkkoon (V2G) -sovelluksia.

Tämä tarve on johtanut kaksisuuntaisten muuntimien ja kaksisuuntaisten tehokertoimen korjausjärjestelmien (PFC) kehittämiseen, joiden avulla suunnittelijat voivat optimoida kahta jännitettä (12 volttia / 48 volttia) käyttävien sähköajoneuvojen (EV) yleisen suorituskyvyn sekä myös liittää ne sähköverkkoon kaksisuuntaista tehonsiirtoa varten.

Tässä artikkelissa määritellään ja tarkastellaan kaksisuuntaisen tehomuunnoksen etuja autojärjestelmissä ja niihin liittyviä standardeja. Sen jälkeen artikkeli esittelee ratkaisuja sellaisilta toimittajilta kuten Texas Instruments , Analog Devices ja Infineon Technologies ja näyttää, kuinka niitä voidaan käyttää kaksisuuntaisten tehomuuntimien toteuttamiseen.

Mikä on kaksisuuntainen tehomuunnos?

Kahden jännitteen 12 voltin / 48 voltin arkkitehtuurilla varustetussa HEV-ajoneuvossa kaksisuuntainen virtalähde yhdistää 12 ja 48 voltin järjestelmät siten, että kumpikin akku voi ladata toistaan. Se antaa myös kummallekin akulle mahdollisuuden syöttää kullekin jännitekiskolle ylikuormitustilanteessa ylimääräistä tehoa (kuva 1). Tämän seurauksena suunnittelijat voivat käyttää pienempiä paristoja kummassakin järjestelmässä, mikä parantaa luotettavuutta ja hyötysuhdetta sekä alentaa kustannuksia.

Kuva 1: Kaksisuuntainen virtalähde kaksoisjännitearkkitehtuurin sydämessä yhdistää 12 voltin ja 48 voltin järjestelmät siten, että kumpikin akku voi ladata toistaan ja antaa ylimääräistä virtaa ylikuormitustilanteessa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

BEV-ajoneuvoissa suunnittelijat voivat käyttää kaksisuuntaista PFC-järjestelmää tukeakseen kaksisuuntaista akun lataamista sekä V2G-toimintaa. V2G-järjestelmä tukee korkeaa hyötysuhdetta useilla tavoilla:

• Se voi palauttaa energiaa verkkoon suuren kysynnän aikoina
• Se voi vähentää akkujen latausnopeutta tarpeen mukaan verkon kuormituksen tasapainottamiseksi
• Sen avulla ajoneuvoa voidaan käyttää uusiutuvien energialähteiden energian varastointiin.

Siinä missä HEV-ajoneuvojen kaksoisjännitejärjestelmät pysyvät auton sisällä ja parantavat polttoainetaloutta, V2G-järjestelmän kaksisuuntainen laturi on suunniteltu tarjoamaan laajempia kustannusetuja polttoainetalouden parantamisen lisäksi ja sen on oltava yhteydessä ulkomaailmaan.

V2G-toteutus edellyttää viestintätekniikoita ja algoritmeja verkon tilan havaitsemiseksi sekä kykyä toimia interaktiivisesti sähköajoneuvojen latausinfrastruktuurin kanssa (kuva 2).

Kuva 2: Kaksisuuntaisen tehomuunnoksen lisäksi V2G-järjestelmien on tuettava erilaisia liitäntä- ja viestintästandardeja. (Kuvalähde: Honda)

Tuloksena oleva V2G-infrastruktuuri tarjoaa taloudellisia hyötyjä, kuten mahdollisuuden tarjota sähköä verkkoon huippukysynnän aikoina (mahdollisuus generoida tuloja ajoneuvon omistajalle) ja ladata ajoneuvon akkuja sähkön vähäisen kysynnän aikoina (vähentää ajoneuvon latauskustannuksia).

Kaksisuuntaiseen tehomuunnokseen liittyvät standardit

LV148/VDA320-spesifikaatiossa määritellään sähköiset vaatimukset ja testiolosuhteet 48 voltin ja 12 voltin väylän yhdistämiseksi kaksijännitteisissä autojärjestelmissä (kuva 3). Saksalaiset autovalmistajat Audi, BMW, Daimler, Porsche ja Volkswagen ovat ottaneet käyttöön LV148-spesifikaation ja se koskee sekä perinteisiä polttomoottoriajoneuvoja että HEV-ajoneuvoja. Tämän artikkelin kirjoittamisen aikana ISO 21780 -standardi Maantieajoneuvot - syöttöjännite 48 V - sähkövaatimukset ja testit on vielä työ alla.

Kuva 3: LV148/VDA320-spesifikaatio määrittelee sähköiset vaatimukset ja testiolosuhteet 48 voltin väylän ja 12 voltin väylän yhdistämiseksi kaksijännitteisissä autojärjestelmissä. Kuvassa näytetään 48 voltin väylän tekniset tiedot. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

V2G-järjestelmissä voidaan käyttää useita tiedonsiirtoprotokollia, mukaan lukien:

• ISO/IEC 15118: Määrittää V2G-tiedonsiirtorajapinnan sähköajoneuvojen kaksisuuntaiselle lataamiselle/purkamiselle. Se käyttää IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) -laajakaistaisen syöttöverkon viestinnän (PLC) spesifikaatiota parhaana protokollana robustin viestinnän ja korkean tiedonsiirtonopeuden varmistamiseksi. Taajuuksilla 2 MHz – 30 MHz toimivan HPGP:n avulla järjestelmä erottaa liitetystä linjasta validin datan ja hylkää muista lähteistä peräisin olevan kohinan.
• IEC 61850: Määrittää sähköasemien älykkäiden elektronisten laitteiden tiedonsiirtoprotokollat, joilla voidaan hallita uusiutuvien sähköresurssien ja sähköajoneuvojen syöttölaitteiden (EVSE), kuten laturien, välistä energiavirtaa.

Kuva 4: IEC 61850 määrittelee V2G-järjestelmien teho- ja tietovirrat ja se käyttää IEEE P1901.2 HPGP PLC -spesifikaatiota robustin tiedonsiirron ja korkean tiedonsiirtonopeuden varmistamiseksi. (Kuvalähde: IBIS)

Kaksisuuntaiset monivaiheiset DC-DC-muuntimet 12 voltin / 48 voltin järjestelmille

Tyypillisen 12 voltin / 48 voltin kaksisuuntaisen DC-DC-muuntimen korkea tehotaso johtaa yleensä monivaiheisen topologian käyttöön. Monivaiheinen rakenne parantaa muunnostehokkuutta mahdollistamalla vaiheiden deaktivoinnin ja vähentämällä aktiivisten vaiheiden määrää, kun tehontarve vähenee. Monivaiheinen rakenne mahdollistaa myös pienempien suodatinkomponenttien käytön kunkin vaiheen lähdöissä; pienempien induktorien käyttö parantaa kuorman transienttisuorituskykyä. Lopuksi vaiheiden käyttö sopivalla lomituksella johtaa lähdön pienempään aaltoiluun.

Texas Instrumentsin LM5170-Q1 on erittäin suorituskykyinen monivaiheinen kaksisuuntainen virtaohjain, joka on tarkoitettu ohjaamaan virransiirtoa ajoneuvon kaksoisakkujärjestelmien 48 voltin ja 12 voltin järjestelmien välillä (kuva 5). Se sisältää olennaiset analogiset toiminnot, jotka mahdollistavat suuritehoisten muuntimien suunnittelun mahdollisimman pienellä määrällä ulkoisia komponentteja. Monivaiheinen rinnakkaiskäyttö saavutetaan yhdistämällä kaksi LM5170-Q1-ohjainta käytettäessä kolmea tai neljää vaihetta tai synkronoimalla useita ohjaimia vaihesiirtokelloihin haluttaessa enemmän vaiheita.

Kuva 5: LM5170-Q1 monivaiheinen kaksisuuntainen virtaohjain ohjaa virransiirtoa ajoneuvon kaksoisakkujärjestelmän 48 ja 12 voltin osien välillä; punaiset nuolet korostavat kaksisuuntaista virtausta. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

LM5170-Q1 sisältää kaksikanavaiset differentiaalivirran tunnistusvahvistimet ja erilliset kanavavirran monitorit tyypillisen virtatarkkuuden saavuttamiseksi 1%. Robustit 5 ampeerin (A) puolisillan porttiohjaimet pystyvät ohjaamaan rinnakkaisia MOSFET-kytkimiä, jotka tarjoavat vähintään 500 wattia kanavaa kohti. Synkronisten tasasuuntaajadiodien emulointitila estää negatiiviset virrat ja se myös mahdollistaa epäjatkuvan tilan hyötysuhteen parantamiseksi pienillä kuormilla. Monipuolisiin suojausominaisuuksiin kuuluvat jaksoittain virranrajoitus, ylijännitesuoja sekä korkea- että matalajänniteporteissa, MOSFET-vikojen havaitseminen ja ylilämpötilasuojaus. Tämä ohjain pystyy tukemaan autojen toiminnallista turvallisuutta.

Texas Instruments tarjoaa LM5170EVM-BIDIR -arviointimoduulia, jonka avulla insinöörit voivat arvioida LM5170-Q1-piiriä 12 voltin / 48 voltin kahden akun järjestelmäsovelluksissa. Nämä kaksi vaihetta toimivat 180 asteen lomituksella ja ne jakavat tasaisesti enintään 60 ampeerin tasavirran. Tämä arviointimoduuli sisältää myös useita hyppyjohtimia, joiden avulla piiri voidaan joustavasti ja kätevästi konfiguroida sopimaan moniin erilaisiin käyttötapauksiin, sitä voidaan mm. ohjata mikrokontrollerilla (MCU) sekä suuritehoisilla yksisuuntaisilla jännitteenalennu- tai jännitteenkorotusmuuntimilla.

Master/slave-monivaihearkkitehtuuri kaksisuuntaisille muuntimille

Analog Devices tarjoaa LT8708-jännitteenalennus-jännitteenkorotus-ohjaimen käytettäväksi 12 voltin / 48 voltin kaksisuuntaisissa tehonmuuntimissa. LT8708 on 80 voltin synkroninen 4-kytkimen jännitteenalennus-jännitteenkorotus-DC-DC -ohjain, jota voidaan käyttää kaksisuuntaisesti jopa noin 30 A:n kuormitusvirralla. Haluttaessa suurempia virtamääriä LT8708-pääohjain voidaan yhdistää yhden tai useamman ohjattavan siru kanssa. Master/slave-arkkitehtuurin käyttö voi vähentää ratkaisun hintaa monivaiheisissa malleissa, koska yksi (kalliimpi) isäntämikropiiri voi ohjata useita (halvempia) ohjattavia mikropiirejä.

Kun ohjattavia piirejä kytketään isäntään, ne lisäävät verrannollisesti järjestelmän tehoa ja virtaa. On kuitenkin tärkeää, että ohjattavalla piirillä on samat johtavuustilat kuin LT8708-piirillä, niin että se voi johtaa virtaa ja tehoa samaan suuntaan kuin isäntä. Isäntä ohjaa LT8708-monivaihejärjestelmän kokonaisvirta- ja jänniterajoja, ja ohjattavat piirit noudattavat näitä rajoja.

Ohjattava laite voidaan helposti asettaa rinnakkain LT8708-piirin kanssa yhdistämällä neljä signaalia yhteen (kuva 6). Jokaisessa ohjattavassa laitteessa on kaksi ylimääräistä virtarajaa (myötäsuuntainen V_IN-virta ja vastasuuntainen V_IN-virta), jotka voidaan asettaa toisistaan riippumatta.

Kuva 6: Kolmivaiheinen DC-DC-muunnin käyttää LT8708-piiriä (isäntä) ja ohjattavia mikropiirejä korostaen neljää signaaliliitäntää. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices -yrityksen DC2719A-esittelyalusta käyttää LT8708-piiriä yhdessä siihen kytketyn ohjattavan piirin (LT8708-1) kanssa ja ne tarjoavat 40 A. Alusta voi toimia sekä myötä- että vastatilassa. Ohjain sisältää integroidut tulojännitteen ja lähtöjännitteen säätimet sekä kaksi tulo- ja lähtövirran säätimien sarjaa, jotka ohjaavat sähkövirtaa myötä- tai vastasuuntaan. Ohjain sisältää ominaisuuksia, jotka yksinkertaistavat kaksisuuntaista virranmuunnosta akkua/kondensaattoria käyttävissä varmennusjärjestelmissä ja muissa sovelluksissa, jotka saattavat tarvita jännitteiden V_IN , V_OUT , virtojen I_IN ja/tai I_OUT regulointia.

Kaksisuuntaisen tehokertoimen korjaus sähköverkon kanssa interaktiivisesti toimiville BEV-ajoneuvoille

Infineon tarjoaa sähköverkon kanssa interaktiivisesti toimivien BEV-ajoneuvojen suunnittelijoille EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-arviointialustan, 3300 W:n sillattoman Totem-Pole-tehokerroinkorjaimen, jota voidaan käyttää kaksisuuntaisesti (kuva 7). Tämä sillaton Totem-Pole-PFC-kortti on tarkoitettu sovelluksiin, joissa vaaditaan korkeaa hyötysuhdetta (noin 99 %) ja korkeaa tehotiheyttä (72 wattia kuutiotuumaa kohti).

Kuva 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 on 3300 W:n sillaton Tote-Pole-PFC-kortti. (Kuvalähde: Infineon)

Jatkuvaa johtavuustilaa (CCM) käyttävien PFC-sovellusten Totem-Pole-topologia on toteutettavissa käyttämällä laajakaistaisia puolijohteita. Tässä tapauksessa neljäjalkaisessa TO-247-kotelossa olevaa Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET-transistoria käytetään nostamaan suorituskyky puolikuormituksella 99 prosenttiin. Muunnin toimii pelkästään korkealla verkkojännitteellä (vähintään 176 volttia rms, nimellisjännite 230 volttia rms) CCM-tilassa 65 kilohertsin (kHz) kytkentätaajuudella.

Tämä 3300 W:n sillaton kaksisuuntainen (PFC/AC-DC ja invertteri/AC-DC) Totem-Pole-topologialla on järjestelmäratkaisu, joka on kehitetty Infineonin tehopuolijohteiden sekä Infineon-ajurien ja -ohjainten kanssa. Ratkaisussa käytetään seuraavia Infineon-laitteita:

• 64 milliohmin (mΩ) 650 voltin CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) nelijalkaisessa TO-247-kotelossa Totem-Pole-PFC-korkeataajuuskytkiminä
• 17 mΩ 600 voltin CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7) TO-247-kotelossa Totem-Pole-PFC-paluureitin (matalataajuinen silta)
• 2EDF7275F erotetut porttiohjaimet (EiceDRIVER)
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon-mikrokontrolleri PFC-ohjauksen toteuttamiseen

EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortilla toteutettu Totem Pole toimii CCM-tilassa sekä tasasuuntaaja- (PFC) että invertteritilassa ja se tarjoaa täysin digitaalisen ohjauksen Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1 -mikrokontrollerilla.

Yhteenveto

Sellaisten suunnittelijoiden keskuudessa, jotka haluavat parantaa tehokkuutta, kaksijännitteiset 12 voltin / 48 voltin arkkitehtuurit ovat nousseet suosituksi topologiaksi HEV- ja BEV-ajoneuvoihin. Tämä on synnyttänyt tarpeen tehokkaalle virranhallinnalle niiden käytön optimoimiseksi. Tarjolle on tullut kaksisuuntaisia DC-DC-muuntimia ja akkulatureita, joiden avulla 12 ja 48 voltin järjestelmät voivat tukea toinen toistaan tapauksissa, joissa niistä toista on ladattava tai toista niistä kuormitetaan liikaa.

Myös BEV-ajoneuvojen tapauksessa kaksisuuntainen PFC-vaihe tukee kaksisuuntaista virtaa akun ja sähköverkon välillä. Tästä seuraava V2G-yhteys tuo myös muita taloudellisia etuja polttoainetalouden parantamisen lisäksi, mukaan lukien kyky syöttää sähköä verkkoon huippukysynnän aikoina ja ajoneuvojen akkujen lataaminen silloin, kun sähkön kysyntä on vähäistä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Käytä erityisiä tehomuuntimia tarjoamaan ratkaisu kahden jännitteen 12 V:n – 48 V:n autojärjestelmiin
2. EV-ajoneuvojen lisääminen älyverkkoon parantaa vakautta ja turvallisuutta