汽車系統(tǒng)如何實現(xiàn)雙向電源轉換器

在設計混合動力電動汽車 (HEV) 和電池電動汽車 (BEV) 的動力系統(tǒng)時，設計人員持續(xù)面臨著在提高能效和可靠性的同時降低成本的壓力。雖然改用雙 12 伏和 48 伏電源軌，通過減輕底盤布線的重量幫助提高了能效，但設計人員還需要專用的解決方案來改善兩個電源的管理，使其能夠更好地相互支持，同時也使車輛能夠支持雙向車輛到電網 (V2G) 應用。

這一需求引發(fā)了雙向轉換器和雙向功率因數(shù)校正 (PFC) 系統(tǒng)的開發(fā)，設計人員可利用它們來優(yōu)化雙 12 伏/48 伏電動汽車 (EV) 設計的總體性能，以及連接到電網實現(xiàn)雙向功率流。

本文將闡述并回顧雙向電源轉換給汽車系統(tǒng)帶來的好處以及相關的標準。然后介紹諸如 Texas Instruments、Analog Devices 和 Infineon Technologies 這類供應商的解決方案，并展示如何使用它們實現(xiàn)雙向電源轉換器。

什么是雙向電源轉換？

在采用 12 伏/48 伏雙電壓架構的 HEV 中，雙向電源將 12 伏和 48 伏系統(tǒng)聯(lián)接到一起，使得任一電池可由另一個電池進行充電。在過載條件下，它還允許每個電池為任一電壓軌提供額外的功率（圖 1）。因此，設計人員可以為每個系統(tǒng)使用較小的電池，從而提高可靠性、能效并降低成本。

在 BEV 中，設計人員可使用雙向 PFC 來支持雙向電池充電以及 V2G 操作。V2G 系統(tǒng)以多種方式支持更高的能效：

它可以在高需求時期將能量返回電網

它可以根據(jù)需要降低電池的充電速率，以幫助平衡電網上的負載

它允許使用車輛來儲存可再生能源的能量

HEV 中的雙電壓系統(tǒng)是車輛內的自足式系統(tǒng)，能夠提高燃油經濟性，與此同時，V2G 系統(tǒng)中的雙向充電器專為實現(xiàn)改善燃油經濟性以外的更廣泛成本效益而設計，而且必須與外界接口。

V2G 的實現(xiàn)需要使用通信技術和算法來感測電網狀態(tài)，還要能夠與電動汽車充電基礎設施接口（圖 2）。

由此形成的 V2G 基礎設施帶來了諸多經濟效益，包括能夠在需求高峰期間為電網提供功率（可能為車主創(chuàng)造收入），以及在電力需求較低的時段為車輛電池充電（降低車輛充電成本）。

與雙向電源轉換有關的標準

LV148/VDA320 規(guī)格定義了在雙電壓汽車系統(tǒng)中組合 48 伏總線和 12 伏總線的電氣要求和測試條件（圖 3）。LV148 已被德國汽車制造商奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾汽車采用，適用于常規(guī)內燃機汽車和混合動力電動汽車。在撰寫本文時，ISO 21780“道路車輛 — 48 V 供電電壓 — 電氣要求和測試”標準正在制定中。

有幾種通信協(xié)議可應用于 V2G 系統(tǒng)，包括：

ISO/IEC 15118：定義用于電動汽車雙向充電/放電的 V2G 通信接口。該協(xié)議使用 IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) 寬帶電力線通信 (PLC) 規(guī)格作為最佳協(xié)議，以確保穩(wěn)定的通信和高數(shù)據(jù)速率。HPGP 以 2 MHz 到 30 MHz 的頻率運行，使系統(tǒng)能夠區(qū)分所連接線路上的有效數(shù)據(jù)與其他附近來源的噪聲。

IEC 61850：定義用于變電站智能電子設備的通信協(xié)議，該協(xié)議有助于管理可再生電力資源與電動汽車供電設備 (EVSE)（例如充電器）之間的能量流。

12 伏/48 伏系統(tǒng)的雙向多相 DC-DC 轉換器

鑒于典型 12 伏/48 伏雙向 DC-DC 轉換器的高功率水平，往往需要使用多相拓撲。多相設計通過實現(xiàn)相降提高了總體轉換能效，因而可隨著功率需求的下降而減少主動相的數(shù)量。多相設計還能實現(xiàn)在每個相的輸出端使用較小的濾波器元器件；使用較小的電感器改善負載的瞬態(tài)性能。最后，以適當?shù)慕诲e運行各個相可減小輸出紋波。

Texas Instruments 的 LM5170-Q1 是一款高性能的多相雙向電流控制器，適用于管理汽車雙電池系統(tǒng) 48 伏部分與 12 伏部分之間的電流傳輸（圖 5）。它集成了基本的模擬功能，可利用數(shù)量極少的外部元器件設計高功率的電源轉換器。多相并行工作有兩種實現(xiàn)方式：連接兩個 LM5170-Q1 控制器實現(xiàn)三相或四相工作，或者多個控制器與相移時鐘同步以實現(xiàn)更多相位工作。

LM5170-Q1 包括雙通道差分電流檢測放大器和專用通道電流監(jiān)測計，實現(xiàn)了 1% 的典型電流精度。穩(wěn)定的 5 安 (A) 半橋柵極驅動器能夠驅動功率不低于每通道 500 瓦的并聯(lián) MOSFET 開關。同步整流器的二極管仿真模式可避免出現(xiàn)負向電流，而且還支持通過非連續(xù)工作模式提高輕載效率。多用途保護功能包括逐周期電流限制、高電壓和低電壓端口過壓保護、MOSFET 故障檢測和超溫保護。該控制器具有汽車功能安全能力。

Texas Instruments 提供了 LM5170EVM-BIDIR 評估模塊，供工程師在 12 伏/48 伏雙電池系統(tǒng)應用中評估 LM5170-Q1。兩相電路采用 180°交錯運行，均享高達 60 A 的最大 DC 電流。此評估模塊還包括各種跳線，可靈活、方便地配置電路以適合許多不同的用例，包括受微控制器 (MCU) 和大功率單向降壓或升壓轉換器控制的功能。

雙向轉換器的主/從多相架構

Analog Devices 提供了 LT8708 降壓-升壓開關穩(wěn)壓器控制器，可用于 12 伏/48 伏雙向電源轉換器。LT8708 是一個 80 伏同步 4 開關降壓-升壓 DC-DC 控制器，具有雙向功能，可支持高達約 30 A 的負載電流。對于更高的電流需求，LT8708 主控制器可以與一個或多個從屬芯片組合。主/從架構的使用可以降低多相設計中的解決方案成本，因為單個（價格較高）主 IC 可以控制多個（成本較低）從屬 IC。

當從屬 IC 連接到主 IC 時，它們按比例提高系統(tǒng)的功率和電流能力。但重要的是，從屬 IC 應具有與 LT8708 相同的導電模式，以便能夠在與主 IC 相同的方向上傳導電流和功率。主 IC 控制 LT8708 多相系統(tǒng)的總體電流和電壓限制，而從屬 IC 需要遵守這些限制。

通過將四個信號連接到一起，可以輕松地將從屬 IC 與 LT8708 并聯(lián)（圖 6）。每個從屬 IC 上都提供兩個附加的電流限制（正向 VIN 電流和反向 VIN 電流），其可進行獨立設置。

Analog Devices 的 DC2719A 演示板使用 LT8708 組合關聯(lián)的從屬 IC (LT8708-1)，提供 40 A 電流。該評估板可采用正向和反向兩種模式運行。控制器具有集成的輸入電壓和輸出電壓穩(wěn)壓器，以及兩組用于控制正向或反向電流的輸入和輸出電流調節(jié)器。所包括的功能可簡化電池/電容器備份系統(tǒng)和其他可能需要調節(jié) VIN、VOUT、IIN 和/或 IOUT 的應用中的雙向電源轉換。

電網交互式 BEV 的雙向功率因數(shù)校正

針對電網交互式 BEV 的設計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板，這是一款具有雙向電源功能的 3300 瓦無橋圖騰柱功率因數(shù)校正器（圖 7）。這款無橋圖騰柱 PFC 板適用于需要高能效（約 99%）和高功率密度（每立方英寸 72 瓦）的應用。

通過使用寬帶隙半導體，在具有連續(xù)導通模式 (CCM) 操作的 PFC 應用中采用圖騰柱拓撲變得可行。這種情況下，Infineon 采用 TO-247 四引腳封裝的 IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET 可用于將半負載時的能效提高到 99%。該轉換器專門以 65 千赫茲 (kHz) 的開關頻率，在 CCM 中的高線路電壓（最低 176 Vrms，標稱 230 Vrms）下工作。

此 3300 瓦無橋雙向（PFC/AC-DC 和逆變器/AC-DC）圖騰柱是使用 Infineon 功率半導體以及 Infineon 驅動器和控制器開發(fā)的系統(tǒng)解決方案。設計中使用的 Infineon 器件包括：

· 采用 TO-247 四引腳封裝的 64 毫歐 (m?) 650 伏 CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1)，作為圖騰柱 PFC 高頻開關

· 采用 TO-247 封裝的 17 mΩ 600 伏 CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7)，用于圖騰柱 PFC 返回路徑（低頻電橋）

2EDF7275F 隔離式柵極驅動器 (EiceDRIVER)

ICE5QSAG QR 反激控制器和 950 伏 CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1)，用于偏置輔助電源

XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 微控制器，用于 PFC 控制實現(xiàn)

EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實現(xiàn)的圖騰柱在 CCM 下以整流器 (PFC) 和逆變器兩種模式工作，并使用 Infineon 的 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 微控制器實現(xiàn)全數(shù)字控制。

總結

為迎合設計人員提升能效的需求，雙電壓 12 伏/48 伏架構應運而生，成為 HEV 和 BEV 的首選拓撲。這就需要高效的電源管理來優(yōu)化該架構的使用。雙向 DC-DC 轉換器和電池充電器的出現(xiàn)使 12 伏和 48 伏系統(tǒng)在其中一個需要充電的情況下或在過載條件下能夠相互支持。

同樣，對于 BEV 而言，雙向 PFC 級可支持電池與公用電網之間的雙向功率流。由此形成的 V2G 連接帶來的經濟效益不僅限于改善燃油經濟性，還包括能夠在需求高峰期間為電網供電，以及在電力需求較低時為汽車電池充電。

編輯：hfy