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用于400V/800V EV架构的差分功率处理OBC

2023-04-26 14:37:34 Stefano Lovati 阅读:
本文提出了一种基于串联DAB的OBC,它使用并行功率处理来提供基于标准Si 650V MOSFET晶体管的高性能和低成本解决方案。

由于电动汽车(EV)的进步,下一代汽车将由功率密度不断增加且成本更低的系统提供动力。车载充电器(OBC)在这种情况下是至关重要的组件,因为它们管理电池充电,将外部交流电压转换为电池所需的直流电压。由于新的额定功率和电池技术,OBC技术正在迅速发展。7hhednc

当前最新的进步之一是开发更高功率和电池电压的系统,能够提高功率密度并缩短充电时间。因此,越来越多的系统正在从目前使用的400V电池切换到具有800V总线架构的优化系统。更高电压的电池,例如800V,具有多项优势,包括更低的电流、更好的热管理(需要散发的热量更少)、更快的充电时间以及对操作人员而言更高的安全性。7hhednc

要实现最佳性能、效率和更高电压的运行以满足这些苛刻的要求,需要更高电压的设备和新颖的拓扑结构。为了在这种情况下实现高效率和高功率密度,本文将提出一种使用差分功率处理的经济高效的车载充电器结构。所提议的设计基于串联结构,以增强功率处理能力,并让使用价格合理的650V硅基超级结MOSFET成为可能。通过在3.6kW车载充电器配置中设计、实施和测试该解决方案,证明了该建议的可行性。7hhednc

点击此处查看参考原文7hhednc

差分功率处理

电动汽车技术是由大量电力电子子系统的支持,包括:7hhednc

  • 电池管理系统。这些设备执行为电池组充电所需的AC-DC转换
  • 负载调节系统。这些设备执行将电池提供的较高电压(400V/800V)转换为为连接到12V或48V总线的负载供电所需的较低电压所需的DC-DC转换
  • 动力总成系统。这些设备,包括所谓的主逆变器或牵引逆变器,执行移动电动机所需的DC-AC转换,在大多数情况下,电动机是一个三相交流感应电动机。

在这种情况下,储能系统,例如电池、超级电容器、燃料电池和混合储能系统,起着至关重要的作用。如今,研究的重点是改进这些组件,以更少的成本、体积和重量提供更多的能量。7hhednc

由于重量减轻、效率更高和充电时间更快等优势,800V电池技术有望很快取代最先进的400V电池。7hhednc

负责控制电池充电的关键电力电子子系统之一是车载充电器,它通常由一个功率因数校正器(PFC)级和一个DC-DC转换器组成(图1)。电池系统、半导体技术的改进以及对必要功率、效率和功率密度的更高需求推动了OBC技术的进步。7hhednc

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图1:由PFC和DC-DC转换器组成的经典车载充电器架构(来源:IEEE)7hhednc

为了在降低成本的同时提供更高的效率和模块化,将提出一种基于差分功率处理概念的新型OBC拓扑。这种拓扑的优势在于可以使用标准的650V超级结(SJ)MOSFET技术实现400V和800V电池OBC。7hhednc

功率转换器拓扑

所建议的功率转换器架构是为提供新的800V电池技术而设计的。通过采用差分功率处理,建议的DC-DC策略允许使用额定电压为650V的设备,这与传统方法相反,传统方法是基于采用1200V设备的,至少在输出DC-DC中是如此。这将使大幅降低成本成为可能。7hhednc

提出的DC-DC功率转换器拓扑基于串联方法,该方法结合了由{MH-ML,Ms,H-Ms-L}构成的双有源桥变换器(DAB),以及由{Dsr,H-Dsr,L}和谐振回路{Lsr,r–Csr}组成的串联谐振二极管整流器级。所提出的解决方案使用单个变压器实现经济高效的实施,标准650V硅基器件自动提供精确的输出电压分布。7hhednc

在此设计中,DAB转换器根据电池状态以可变输出电压运行,这与具有设定输出电压的串联谐振整流器相反。此外,前者始终工作在谐振频率下,保证了ZVS/ZCS性能。降低处理功率并提高效率和功率密度,可提供高效的差分功率处理。通过调整DAB初级-次级分支的相移,可以控制两个转换器。7hhednc

实验结果

原型已实施并用于800V、3.6kW配置,以证明所提出的拓扑的可行性。设计的原型效果图和实验测试台如原文所示。这些结果证明了所提出解决方案的可行性,它可以使用标准的硅基MOSFET技术并实现具有成本效益的实施。7hhednc

结论

800V电池系统的能量管理在EV中正在快速发展。本文提出了一种使用并行功率处理的基于DAB的串联OBC。建议的架构允许使用单个磁性元件和标准Si 650V MOSFET晶体管,从而提供了一种高性能、低成本的解决方案。通过使用3.6kW OBC对所提议的方法进行实验验证,证明了该建议的可行性。7hhednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Differential power processing OBC for 400V/800V EV architecture,由Ricardo Xie编译。)7hhednc

责编:Ricardo
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