使用Vicor高密度電源模塊優(yōu)化電動汽車預(yù)充電電路設(shè)計

隨著汽車行業(yè)向電動汽車(EV)轉(zhuǎn)型，設(shè)計工程師在開發(fā)底層電氣架構(gòu)時面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，800V 牽引電機(jī)逆變器中的大電容負(fù)載需要專用的預(yù)充電電路，以避免會損壞元器件的浪涌電流。

與此同時，電動汽車設(shè)計師不斷努力減小系統(tǒng)的尺寸、減輕重量和降低成本。他們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計出既穩(wěn)健可靠又能將設(shè)計工作量和成本降到最低的電氣架構(gòu)。要實現(xiàn)這一平衡，工程師需要考慮新的電源系統(tǒng)設(shè)計方法。

借助高密度電源模塊，工程師就可以設(shè)計創(chuàng)新的架構(gòu)，在與車輛預(yù)充電相關(guān)的各種因素間實現(xiàn)完美平衡。而固定比率轉(zhuǎn)換器模塊是開發(fā)最高效的預(yù)充電系統(tǒng)的關(guān)鍵。

抑制大浪涌電流

電動汽車的運(yùn)行離不開四個主要組件：牽引電池、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、牽引電機(jī)逆變器和電機(jī)。在這個結(jié)構(gòu)中，電池為牽引電機(jī)逆變器提供高壓(800V)直流電源，而逆變器又提供交流電來驅(qū)動電機(jī)。

從牽引電池向牽引電機(jī)逆變器供電帶來了安全和可靠性方面的挑戰(zhàn)。牽引電機(jī)逆變器偶爾會接收大電流，因此需要集成大容量的直流支撐(DC-link)電容器以保持穩(wěn)定的直流供電。在許多車輛中，總直流支撐電容可能高達(dá)約 58,000μF，形成了巨大的電容負(fù)載。

在車輛啟動時，這些電容未充電(0V)，直接將驅(qū)動電池連接到驅(qū)動電機(jī)逆變器會導(dǎo)致很大的浪涌電流。當(dāng)電池線路的電阻為數(shù)微歐姆，電池工作電壓為 800V 時，根據(jù)歐姆定律，流經(jīng)的電流(以安培為單位)如下：I = (800V - 0V)/R。

這種大浪涌電流會給系統(tǒng)帶來安全風(fēng)險，包括導(dǎo)致接地故障、設(shè)備損壞和保險絲熔斷。此外，與直流支撐電容充電相關(guān)的高 dV/dt 可能會導(dǎo)致振鈴和元器件損壞。

圖 1：在車輛啟動時，牽引逆變器的直流支撐電容充電會導(dǎo)致很大的浪涌電流，可能會損壞設(shè)備。

正確進(jìn)行預(yù)充電的最佳實踐

為了解決這些問題，電動汽車采用預(yù)充電電路，作為在車輛啟動過程中限制浪涌電流的基本手段。

大多數(shù)電動汽車通過在牽引電池和牽引電機(jī)逆變器之間使用專用接觸器和限流電阻來完成預(yù)充電(如圖 2 所示)。在預(yù)充電過程中，SW1 斷開，而 SW2 和 SW3 閉合。在這種模式下，車輛通過串聯(lián)電阻 R1 對直流支撐電容進(jìn)行預(yù)充電，有效地限制了浪涌電流。當(dāng)直流支撐電容的電壓達(dá)到 800V 時，預(yù)充電完成，SW3 斷開，SW1 閉合，使車輛可以在正常條件下運(yùn)行。

這種預(yù)充電方法確實有效，但遠(yuǎn)非理想選擇。它的一個主要缺點是需要使用額外的元器件，包括一個堅固但笨重且昂貴的預(yù)充電接觸器。在空間、重量和成本至關(guān)重要的電動汽車中，這些額外的組件并不受歡迎。

另一個挑戰(zhàn)是，使用高壓母線進(jìn)行預(yù)充電，容易導(dǎo)致與過熱相關(guān)的故障。例如，在短時間內(nèi)多次重復(fù)啟動和關(guān)閉車輛，會導(dǎo)致預(yù)充電電阻長時間處于電流過大的狀態(tài)。這種重復(fù)的功率消耗會導(dǎo)致電阻過熱，使系統(tǒng)面臨短路和故障風(fēng)險，而且有可能損壞高壓電路。要保護(hù)預(yù)充電電路，需要專用的安全電路，而這樣就會進(jìn)一步增加系統(tǒng)的物料(BOM)、重量和成本。

圖 2：在預(yù)充電期間，專用接觸器 SW3 在電池和逆變器之間連接一個串聯(lián)電阻。預(yù)充電完成后，SW3 斷開，SW1 閉合，重新將電池連接到逆變器。

突破思維定勢

利用固定比率轉(zhuǎn)換器

Vicor 的 BCM 系列固定比率轉(zhuǎn)換器提供了一種獨(dú)特的電壓轉(zhuǎn)換形式，帶來了一種新穎、更有效的預(yù)充電方式。

固定比率轉(zhuǎn)換器是非穩(wěn)壓隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，峰值效率可達(dá) 98%。它們類似于交流變壓器，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的匝數(shù)比或 K 因數(shù)完成固定比率降壓或升壓(如圖 3 所示)。最重要的是，它們支持雙向轉(zhuǎn)換，也就是說，同一個模塊可以根據(jù)電流流動的方向進(jìn)行升壓或降壓。

圖 3：固定比率轉(zhuǎn)換器根據(jù)電流流動方向以預(yù)定的比率對直流電壓進(jìn)行升壓或降壓，整個過程非常高效。

在電動汽車預(yù)充電場景下，固定比率轉(zhuǎn)換器的價值在于它們能夠以獨(dú)特的方式，利用低壓母線完成預(yù)充電。

所有電動汽車都使用兩塊電池：主牽引電池(工作電壓為 400V 或 800V)和低壓電池(工作電壓為 12V 或 48V)。在車輛關(guān)閉時，由低壓電池為低壓輔助設(shè)備(如收音機(jī)和系統(tǒng)控制)供電。當(dāng)車輛啟動后，牽引電池通過專用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器為輔助低壓設(shè)備供電(如圖 4 所示)。所有電動汽車都進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換，這通常通過開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器等單向解決方案實現(xiàn)。

圖 4：同時使用固定比率轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器，就可以在預(yù)充電期間使用低壓電池進(jìn)行預(yù)充電，而在正常運(yùn)行期間使用牽引電池為低壓母線供電。

使用高密度電源模塊

設(shè)計預(yù)充電方法

有了固定比率電源轉(zhuǎn)換器模塊，電源系統(tǒng)設(shè)計師就可以設(shè)計有效的預(yù)充電方法，既無需額外的元器件，又不增加成本或重量。

設(shè)計師可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器，從低壓電池對牽引電機(jī)逆變器的直流支撐電容進(jìn)行預(yù)充電，而不需要直接通過牽引電池進(jìn)行預(yù)充電。在這種設(shè)計中，用于從高壓母線為低壓母線供電的標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器被固定比率轉(zhuǎn)換器(如 Vicor BCM6135)和 DC-DC 穩(wěn)壓器(如 Vicor PRM3735)所取代。重要的是，元器件總數(shù)量與原始實現(xiàn)方法相比保持不變。

在預(yù)充電過程中， SW1 和 SW2 處于斷開狀態(tài)，完全斷開與牽引電池的連接。在這種模式下，PRM3735 對來自低壓電池的 48V 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后由 BCM6135 升壓至 800V，對牽引電機(jī)的直流支撐電容進(jìn)行預(yù)充電。PRM3735 的輸出電流是可控的，因此這種架構(gòu)可以在預(yù)充電過程中避免不受控制的大浪涌電流。

預(yù)充電完成后， SW1 和 SW2 隨后閉合。利用固定比率轉(zhuǎn)換器的雙向轉(zhuǎn)換功能，同一個固定比率轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 穩(wěn)壓器現(xiàn)在可以變換極性，將來自牽引電池的 800V 降壓至 48V，為低壓母線供電。

這種方法可以帶來多方面的明顯優(yōu)勢：

1 無需增加成本或元器件即可實現(xiàn)預(yù)充電

這種架構(gòu)使電源系統(tǒng)設(shè)計師能夠在不增加部件的情況下實現(xiàn)可靠、受控制的預(yù)充電。他們可以使用傳統(tǒng)系統(tǒng)中現(xiàn)有的元器件(DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 穩(wěn)壓器)，用高壓母線對低壓母線進(jìn)行預(yù)充電和供電。與需要額外的接觸器、電阻和安全電路的傳統(tǒng)預(yù)充電方案相比，這種方法顯著降低了物料成本。組件數(shù)量的減少直接意味著更小的系統(tǒng)尺寸、更輕的重量和更低的成本。

2 高度可靠，風(fēng)險更低

固定比率轉(zhuǎn)換器比使用串聯(lián)電阻的傳統(tǒng)預(yù)充電方法更加可靠，而且不易出現(xiàn)過熱或故障。

3 最節(jié)能的方法

固定比率轉(zhuǎn)換器方法的效率極高。由于 DC-DC 穩(wěn)壓過程中不需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換(48V 至 48V 穩(wěn)壓)，因此所有電壓轉(zhuǎn)換都在固定比率轉(zhuǎn)換器中完成。憑借高達(dá) 98% 的效率，固定比率轉(zhuǎn)換器幾乎無損耗，可以最大限度地減少整個過程中的浪費(fèi)。這樣就可以增加車輛續(xù)航里程，降低熱管理需求。

電源模塊減少所需物料

降低成本并減輕重量

隨著從燃油車向電動汽車的轉(zhuǎn)型不斷推進(jìn)，對更經(jīng)濟(jì)、小巧、輕便的電源系統(tǒng)的需求日益增長。要滿足這一需求，必須采用創(chuàng)新的方法，設(shè)計更有效的電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)。

憑借高效的固定比率轉(zhuǎn)換器，Vicor 為電源系統(tǒng)設(shè)計師帶來了前所未有的設(shè)計靈活性和全新的架構(gòu)選項。利用現(xiàn)有組件進(jìn)行預(yù)充電，只是展示固定比率電源轉(zhuǎn)換器模塊強(qiáng)大功能的一個例子。展望未來，隨著電源系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展并成為汽車中不可或缺的組成部分，固定比率轉(zhuǎn)換器將幫助打造更可持續(xù)、更經(jīng)濟(jì)的未來汽車。