Používání obousměrných měničů a systémů na kompenzaci účiníku (PFC) ke zlepšení účinnosti hybridních elektromobilů (HEV), bateriových elektromobilů (BEV) a elektrické sítě

Konstruktéři napájecích systémů pro hybridní elektromobily (HEV) a bateriové elektromobily (BEV) čelí neustálému tlaku na zlepšení účinnosti a spolehlivosti při současném snížení nákladů. Přechod k duálním 12V a 48V napájecím sběrnicím pomohl vylepšit účinnost snížením hmotnosti kabeláže podvozku, konstruktéři však stále potřebují speciální řešení k lepšímu řízení dvou napájecích zdrojů tak, aby se mohly navzájem lépe podporovat a zároveň umožnily podporu aplikací „vozidla do sítě“ („vehicle-to-grid“, V2G).

Tato potřeba vedla k vývoji obousměrných měničů a systémů obousměrné kompenzace účiníku (PFC), které návrhářům umožňují optimalizovat celkový výkon duálního 12V/48V provedení elektrických vozidel (EV) a připojení do sítě k obousměrnému toku energie.

V tomto článku jsou definovány a rozebírány výhody obousměrné přeměny energie v automobilových systémech a v souvisejících standardech. Dále jsou představena řešení dodavatelů, jako jsou společnosti Texas Instruments, Analog Devices a Infineon Technologies a způsob jejich využití k implementaci obousměrných měničů.

Co je obousměrná přeměna energie?

Ve vozidlech HEV s architekturou dvou napětí 12 a 48 V propojuje obousměrný napájecí zdroj 12V a 48V systém tak, aby se obě baterie mohly vzájemně nabíjet. Každá baterie tak může v případě přetížení poskytovat dodatečnou energii jakékoli napěťové liště (obrázek 1). Konstruktéři tak mohou použít menší baterie, což vede k vyšší spolehlivosti, větší účinnosti a nižším nákladům.

Obrázek 1: Obousměrný napájecí zdroj v jádru architektury s duálním napětím propojuje 12V a 48V systém tak, aby se obě baterie mohly vzájemně nabíjet a v případě přetížení poskytovat dodatečnou energii. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Ve vozidlech BEV mohou k podpoře obousměrného nabíjení baterií a fungování systému V2G návrháři použít také obousměrnou kompenzaci účiníku. Systém V2G podporuje vyšší účinnost více způsoby:

• Během období zvýšené poptávky může vracet energii do sítě.
• Jako pomoc k vyrovnávání zatížení sítě může podle potřeby snížit rychlost nabíjení baterií.
• Umožňuje, aby se vozidla využívala k uskladnění energie z obnovitelných zdrojů energie.

Zatímco jsou ve vozidlech HEV systémy s duálním napětím v rámci vozidla samostatné a vylepšují spotřebu paliva, obousměrná nabíječka v systému V2G přináší kromě nižší spotřeby paliva i další finanční výhody. Kromě toho musí také interagovat s vnějším světem.

Implementace systému V2G vyžaduje, aby komunikační technologie a algoritmy snímaly stav sítě a zároveň byly schopny propojení s infrastrukturou nabíjení elektrického vozidla (obrázek 2).

Obrázek 2: Kromě obousměrné přeměny energie musí systémy V2G zahrnovat různé propojovací a komunikační standardy. (Zdroj obrázku: Honda)

Výsledná infrastruktura V2G přináší ekonomické výhody, včetně možnosti dodávat energii do sítě během poptávky ve špičce (což majiteli vozidla generuje potenciální příjem) a opětovného nabíjení baterií vozidla během období nízké poptávky po elektřině (čímž se snižují náklady na nabíjení vozidla).

Standardy související s obousměrnou přeměnou energie

Ve specifikacích LV148/VDA320 jsou definovány elektrické požadavky a testovací podmínky pro kombinování 48V a 12V sběrnice v automobilových systémech s duálním napětím (obrázek 3). Standard LV148 přijali němečtí výrobci vozidel Audi, BMW, Daimler, Porsche a Volkswagen. Norma se vztahuje jak na konvenční vozidla se spalovacím motorem, tak na vozidla HEV. V době psaní tohoto článku se připravuje standard ISO 21780 s názvem „Silniční vozidla – Napájecí napětí 48 V – Elektrické požadavky a zkoušky“.

Obrázek 3: Ve specifikacích LV148/VDA320 jsou definovány elektrické požadavky a testovací podmínky pro kombinování 48V a 12V sběrnice v automobilových systémech s duálním napětím. Uvedena je specifikace pro 48V sběrnici. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Na systémy V2G se může vztahovat několik komunikačních protokolů včetně následujících:

• ISO/IEC 15118: V normě je definováno komunikační rozhraní V2G pro obousměrné nabíjení/vybíjení elektrických vozidel. Jako nejlepší protokol k zajištění robustní komunikace a vysoké datové rychlosti se používá specifikace IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) širokopásmového přenosu dat po elektrorozvodné síti („Power Line Communication“, PLC). Při provozu na frekvencích mezi 2 MHz a 30 MHz umožňuje protokol HPGP systému odlišit v připojeném vedení platná data od šumu z jiných zdrojů v blízkosti.
• IEC 61850: V normě jsou definovány komunikační protokoly pro inteligentní elektronická zařízení v elektrických stanicích, které pomáhají řídit tok energie mezi obnovitelnými zdroji elektřiny a elektrickým vybavením vozidla („electric vehicle supply equipment“, EVSE), jako jsou nabíječky.

Obrázek 4: V normě IEC 61850 se definují toky energie a dat v systémech V2G a k zajištění robustní komunikace a vysoké datové rychlosti se používá specifikace IEEE P1901.2 HPGP PLC. (Zdroj obrázku: IBIS)

Obousměrné vícefázové DC-DC měniče pro 12V/48V systémy

Vysoká úroveň energie typického obousměrného DC-DC měniče 12 V / 48 V vede obvykle k využití vícefázové topologie. Vícefázové provedení vylepšuje celkovou účinnost přeměny tím, že umožňuje vynechávání fází, čímž se se snížením poptávky po energii snižuje i počet aktivních fází. Vícefázová provedení umožňují také použít na výstupech jednotlivých fází menší součástky filtrů. A používání menších induktorů zlepšuje přechodný výkon při zatížení. A konečně vede ovládání fází s příslušným prokládáním k menšímu zvlnění výstupu.

Model LM5170-Q1 od společnosti Texas Instruments je vysoce výkonný vícefázový obousměrný proudový regulátor, který je určený k regulaci přeměny proudu mezi 48V a 12V částí duálních bateriových systémů ve vozidlech (obrázek 5). Má v sobě integrovány nezbytné analogové funkce, které umožňují design vysoce výkonných měničů s minimálním počtem externích součástek. Vícefázového paralelního provozu se dosahuje připojením dvou regulátorů LM5170-Q1 pro tří- nebo čtyřfázový provoz, nebo synchronizací několika regulátorů pro hodiny s fázovým posunem, čímž se získá vyšší počet fází.

Obrázek 5: Vícefázový obousměrný proudový regulátor LM5170-Q1 reguluje přeměnu proudu mezi 48V a 12V částí duálního bateriového systému ve vozidlech. Červené šipky označují obousměrný tok proudu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Regulátor LM5170-Q1 zahrnuje diferenciální zesilovače pro snímání proudu se dvěma kanály a monitory proudu vyhrazených kanálů. Proud měří s typickou přesností 1 %. Robustní 5A polomůstkové hradlové budiče mohou řídit paralelní spínače MOSFET podávající výkon 500 W na kanál a vyšší. V režimu emulace diod zabraňují synchronní usměrňovače záporným proudům, ale k zajištění lepší efektivity při lehkém zatížení umožňují také nespojité fungování režimu. Mezi univerzální ochranné funkce patří omezení proudu po cyklech, ochrana proti přepětí na vysokonapěťových i nízkonapěťových portech, detekce závad tranzistorů MOSFET a ochrana proti přehřátí. Tento regulátor vyhovuje požadavkům na funkční bezpečnost v automobilovém průmyslu.

Společnost Texas Instruments nabízí také vyhodnocovací modul LM5170EVM-BIDIR, aby konstruktéři byli schopni regulátor LM5170-Q1 vyhodnotit v aplikacích duálních bateriových systémů 12 V / 48 V. Dvě fáze fungují v 180˚ prokládaném provozu a rovnoměrně se dělí o maximální DC proud až 60 A. Tento vyhodnocovací modul obsahuje také různé propojky k flexibilní a pohodlné konfiguraci obvodu, aby se přizpůsobil pro mnoho různých použití, včetně možností řízení mikrokontrolérem (MCU) a vysoce výkonným snižujícím nebo zvyšujícím měničem.

Vícefázová architektura hlavní/podřízený pro obousměrné měniče

Společnost Analog Devices nabízí regulátor s přepínáním snižování nebo zvyšování napětí LT8708 pro použití v obousměrných měničích energie 12 V nebo 48 V. Model LT8708 je 80V synchronní snižující-zvyšující DC-DC regulátor se 4 spínači a funkcí obousměrného provozu, který může podporovat zátěžné proudy až do přibližně 30 A. Je-li třeba vyšší proud, lze hlavní regulátor LT8708 kombinovat s jedním nebo více podřízenými čipy. Použití architektury hlavní/podřízený může snížit náklady na řešení ve vícefázových provedeních, protože jeden hlavní (dražší) IC může řídit více podřízených IC (levnějších).

Podřízené obvody jsou připojeny k hlavnímu, proporcionálně proto zvyšují výkonové a proudové možnosti systému. Je však důležité, aby podřízené obvody měly stejné režimy vodivosti jako model LT8708 a aby tedy byly proud a výkon vedeny ve stejném směru jako u hlavního obvodu. Hlavní obvod řídí limity celkového proudu a napětí ve vícefázovém systému LT8708 a podřízené obvody tyto limity dodržují.

Spojením čtyř signálů dohromady lze podřízený obvod snadno paralelně zapojit s regulátorem LT8708 (obrázek 6). Na každém z podřízených obvodů jsou dostupné dva další proudové limity (pro dopředný tok proudu V_IN a pro zpětný tok proudu V_IN), které lze nastavit nezávisle.

Obrázek 6:Třífázový DC-DC měnič s použitím regulátoru LT8708 (hlavní) a podřízených obvodů zdůrazňuje čtyři propojení signálů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Předváděcí deska DC2719A od společnosti Analog Devices využívá regulátor LT8708 v kombinaci s podřízeným obvodem (LT8708-1) k dodávání proudu 40 A. Deska může fungovat v režimu dopředného a zpětného toku. Regulátor je vybaven regulátory vstupního a výstupního napětí a dvěma sadami regulátorů vstupního a výstupního proudu, které řídí tok proudu v dopředném i zpětném směru. Produkt zahrnuje také funkce, které zjednodušují obousměrnou přeměnu energie v záložních systémech baterií/kondenzátorů a v jiných aplikacích, které potřebují regulaci V_IN, V_OUT, I_IN anebo I_OUT.

Obousměrná kompenzace účiníku pro vozidla BEV s interakcí s elektrorozvodnou sítí

Pro návrháře vozidel BEV s interakcí s elektrorozvodnou sítí nabízí společnost Infineon vyhodnocovací desku EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, 3300W bezmůstkový dvojčinný korektor účiníku s funkcí obousměrné energie (obrázek 7). Tato bezmůstková dvojčinná deska PFC je určena pro aplikace, které vyžadují vysokou účinnost (kolem 99 %) a vysokou výkonovou hustotu (72 W na kubický palec).

Obrázek 7: Model EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 je 3300W bezmůstková dvojčinná deska PFC. (Zdroj obrázku: Infineon)

Použití dvojčinné topologie v aplikacích PFC s nepřerušovaným režimem spínání (CCM) je možné díky použití širokopásmových polovodičů. V tomto případě se tranzistor MOSFET CoolSiC IMZA65R048M1 společnosti Infineon ve čtyřpinovém balení TO-247 používá k posunutí účinnosti na 99 % při polovičním zatížení. Měnič funguje výhradně s vysokonapěťovým vedením (min. 176 V rms, jmenov. 230 V rms) v režimu CCM s frekvencí spínání 65 kHz.

Tento 3300W bezmůstkový obousměrný (PFC/AC-DC a invertor/AC-DC) dvojčinný produkt představuje systémové řešení vyvinuté pomocí výkonových polovodičů, řadičů a regulátorů společnosti Infineon. Mezi zařízení společnosti Infineon použitá v návrhu patří:

• Tranzistor MOSFET CoolSiC (IMZA65R048M1) 64 mΩ, 650 V ve čtyřpinovém balení TO-247 jako dvojčinné vysokofrekvenční spínače PFC
• Tranzistor MOSFET CoolMOS C7 (IPW60R017C7) 17 mΩ, 600 V v balení TO-247 se zpětnou cestou dvojčinné PFC (nízkofrekvenční můstek)
• Izolované hradlové budiče 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• Řídicí jednotka flyback QR ICE5QSAG a 950V tranzistor MOSFET CoolMOS P7 (IPU95R3K7P7AKMA1) jako nouzové pomocné napájení
• Mikrokontrolér pro implementace řízení PFC XMC1404Q048X0200AAXUMA1 společnosti Infineon

Dvojčinné zapojení na desce EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funguje v CCM jak pro režim usměrňovače (PFC), tak invertoru s implementací plně digitální regulace pomocí mikrokontroléru řady XMC1404Q048X0200AAXUMA1 společnosti Infineon.

Závěr

S hledáním způsobů vylepšení účinnosti se jako možné topologie pro vozidla HEV a BEV objevily architektury se dvěma napětími 12 V / 48 V. Vznikla tím potřeba účinného řízení energie, aby se toto použití optimalizovalo. Na trhu se objevily obousměrné DC-DC měniče a nabíječky baterií, které umožnily, aby se 12V a 48V systém navzájem podpořily v případech, kdy se jeden systém potřebuje znovu nabíjet, nebo kdy došlo k přetížení.

Obousměrný tok energie mezi baterií a elektrorozvodnou sítí podporuje v případě vozidel BEV také fáze obousměrné PFC. Výsledné zapojení systémů V2G přináší výhody nejen v podobě spotřeby paliva, ale také včetně možnosti dodávat energii do elektrorozvodné sítě během poptávky ve špičce a opětovného nabíjení baterií vozidla během období nízké poptávky po energii.

Doporučeno k přečtení

1. Používání specializovaných měničů k přemostění mezery mezi 12V a 48V systémy ve vozidlech
2. Zapojení elektrických vozidel do chytré sítě k zajištění její stability a bezpečnosti