Utilizarea convertoarelor de putere bidirecționale și PFC pentru îmbunătățirea eficienței HEV, BEV și a rețelei electrice

Designerii sistemelor de alimentare pentru vehiculele electrice hibride (HEV) și vehiculele electrice cu baterie (BEV) sunt în permanență în căutarea modalităților de a îmbunătăți eficiența și fiabilitatea, reducând, în același timp, costurile. În timp ce trecerea la șinele de alimentare de 12 volți și 48 volți a ajutat la îmbunătățirea eficienței prin reducerea greutății cablajului șasiului, designerii au nevoie de soluții dedicate pentru gestionarea mai bună a celor două surse de alimentare, astfel încât să se poată susține mai ușor una pe cealaltă, permițând în același timp vehiculului să accepte și aplicații vehicul-rețea (V2G) bidirecționale.

Această nevoie a condus la dezvoltarea convertoarelor bidirecționale și a sistemelor bidirecționale de corecție a factorului de putere (PFC) care permit designerilor să optimizeze performanța generală a unui design de vehicul electric (EV) de 12 volți/48 volți, precum și să se conecteze la rețea pentru flux de energie bidirecțional.

Acest articol definește și revizuiește beneficiile conversiei de energie bidirecțională în sistemele auto și standardele asociate. Apoi, prezintă soluții de la furnizori precum Texas Instruments, Analog Devices și Infineon Technologies și arată felul în care acestea pot fi utilizate pentru a implementa convertoare de putere bidirecționale.

Ce este conversia bidirecțională a puterii?

Într-un HEV cu arhitectură cu tensiune duală, de 12 volți/48 volți, o sursă de alimentare bidirecțională leagă sistemele de 12 volți și 48 volți, astfel ca oricare baterie să poate fi reîncărcată de cealaltă. De asemenea, aceasta permite fiecărei baterii să asigure energie suplimentară pentru oricare șină de tensiune în cazul unei condiții de suprasarcină (Figura 1). Drept urmare, designerii pot utiliza baterii mai mici pentru fiecare în parte, rezultând în fiabilitate sporită, eficiență mai bună și cost redus.

Figura 1: o sursă de alimentare bidirecțională din centrul unei arhitecturi cu tensiune duală leagă sistemele de 12 volți și de 48 volți, astfel ca fiecare baterie să poată fi reîncărcată de cealaltă și să poată asigura energie suplimentară în cazul unei condiții de suprasarcină. (Sursă imagine: Texas Instruments)

În BEV-uri, designerii pot utiliza PFC bidirecțional pentru a susține încărcarea bidirecțională a bateriilor, precum și funcționarea V2G. Un sistem V2G asigură eficiență mai mare în diferite moduri:

• Poate returna energie în rețea în timpul perioadelor cu cerere mare
• Poate reduce rata de încărcare a bateriilor, după cum este necesar, pentru a ajuta la echilibrarea sarcinii din rețea
• Permite utilizarea vehiculului pentru a stoca energie din surse de energie regenerabilă

În timp ce sistemele cu tensiune duală din HEV-uri sunt concepute independent în interiorul vehiculului și îmbunătățesc economia de combustibil, încărcătorul bidirecțional dintr-un sistem V2G este conceput să asigure rapoarte cost-beneficiu mai bune, care depășesc îmbunătățirile pentru economia de combustibil și care trebuie să asigure o interfață cu lumea din exterior.

Implementarea V2G necesită tehnologii și algoritmi de comunicare pentru detectarea stării rețelei, precum și capacitatea de a asigura o interfață cu infrastructura de încărcare a vehiculului electric (Figura 2).

Figura 2: pe lângă conversia bidirecțională de energie, sistemele V2G trebuie să includă și diferite standarde de interconectare și comunicare. (Sursă imagine: Honda)

Infrastructura V2G rezultantă asigură beneficii economice, inclusiv capacitatea de a asigura energie în rețea în timpul perioadelor de cerere maximă (ceea ce are potențialul de a genera venituri pentru proprietarul vehiculului) și reîncărcarea bateriilor vehiculului în timpul perioadelor de cerere scăzută de electricitate (reducând costurile de încărcare a vehiculului).

Standardele asociate conversiei bidirecționale de energie

Specificațiile LV148/VDA320 definesc cerințele electrice și condițiile de testare pentru combinarea unei magistrale de 48 volți și a unei magistrale de 12 volți în sistemele auto cu tensiune duală (Figura 3). LV148 a fost adoptat de producătorii germani de automobile Audi, BMW, Daimler, Porsche și Volkswagen, și se aplică pentru vehiculele convenționale cu combustie internă, cât și pentru HEV-uri. În momentul redactării acestui articol, standardul ISO 21780 pentru „Automobile – Tensiune de alimentare de 48 V – Cerințe electrice și teste” este în curs de dezvoltare.

Figura 3: specificațiile LV148/VDA320 definesc cerințele electrice și condițiile de testare pentru combinarea unei magistrale de 48 volți și a unei magistrale de 12 volți în sistemele auto cu tensiune duală; în imagine se prezintă specificațiile pentru o magistrală de 48 volți. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Există mai multe protocoale de comunicații care se pot aplica pentru sistemele V2G, inclusiv:

• ISO/IEC 15118: definește o interfață de comunicare V2G pentru încărcarea/descărcarea bidirecțională a vehiculelor electrice. Acesta utilizează specificația referitoare la comunicarea pe linia de alimentare (PLC) de bandă largă IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) ca cel mai bun protocol pentru asigurarea unei comunicări solide și a unei rate de date ridicate. Funcționând la frecvențe între 2 MHz și 30 MHz, HPGP permite sistemului să facă diferența între datele valide de pe o linie conectată și zgomotul de la alte surse din apropiere.
• IEC 61850: definește protocoalele de comunicații pentru dispozitivele electronice inteligente la substațiile electrice care pot ajuta la gestionarea fluxului de energie dintre resursele de electricitate regenerabile și echipamentele de alimentare a vehiculelor electrice (EVSE), cum ar fi încărcătoarele.

Figura 4: IEC 61850 definește fluxurile de energie și de date pentru sistemele V2G și utilizează specificația IEEE P1901.2 HPGP PLC pentru a asigura comunicare solidă și o rată ridicată de date. (Sursă imagine: IBIS)

Convertoare c.c. - c.c. multifazice bidirecționale pentru sistemele de 12 volți/48 volți

De obicei, nivelul ridicat de energie al unui convertor c.c. - c.c. bidirecțional de 12 volți/48 volți rezultă în utilizarea unei topologii multifazice. Un design multifazic îmbunătățește eficiența generală de conversie, prin faptul că permite scăderea fazelor, reducerea numărului de faze active odată cu scăderea cererii de energie. De asemenea, designurile multifazice permit utilizarea componentelor de filtre mai mici la ieșirea fiecărei faze; utilizarea inductorilor de dimensiuni mai mici îmbunătățește performanța curenților tranzitorii de încărcare. În final, utilizarea fazelor cu intercalare corespunzătoare rezultă într-un curent pulsatoriu de ieșire mai mic.

LM5170-Q1 de la Texas Instruments este un controler de curent multifazic bidirecțional, de performanță ridicată, conceput pentru gestionarea transferului de curent dintre secțiunea de 48 volți și cea de 12 volți din sistemele automobilelor cu baterii duale (Figura 5). Acesta integrează funcțiile analogice esențiale care permit conceperea convertoarelor de putere ridicată cu un număr minim de componente externe. Funcționarea multifazică în paralel este obținută prin conectarea a două controlere LM5170-Q1 pentru funcționare în trei sau patru faze, sau prin sincronizarea mai multor controlere la ceasuri cu defazare pentru un număr mai mare de faze.

Figura 5: controlerul de curent multifazic bidirecțional LM5170-Q1 gestionează transferul de curent dintre secțiunile de 48 volți și de 12 volți ale unui sistem auto cu baterii duale; săgeata roșie evidențiază fluxul de curent bidirecțional. (Sursă imagine: Texas Instruments)

LM5170-Q1 include amplificatoare pentru detectarea curentului diferențial cu două canale și monitoare de curent cu canal dedicat pentru a obține o acuratețe tipică a curentului de 1%. Driverele robuste de poartă cu punte parțială de 5 amperi (A) pot acționa comutatoare MOSFET în paralel, asigurând 500 wați sau mai mult pe fiecare canal. Modul de emulare a diodei din redresoarele sincrone previne curenții negativi, dar și permite funcționarea modului discontinuu pentru eficiență îmbunătățită la sarcini ușoare. Funcțiile versatile de protecție includ limitarea curentului pentru fiecare ciclu, protecție la supratensiune atât la portul de tensiune ridicată, cât și la cel de tensiune scăzută, detectarea erorilor MOSFET-urilor și protecție la supratemperatură. Acest controler poate oferi siguranță funcțională pentru automobile.

Texas Instruments oferă modulul de evaluare LM5170EVM-BIDIR, astfel ca inginerii să poată evalua LM5170-Q1 în aplicațiile sistemelor cu baterii duale de 12 volți/48 volți. Cele două faze funcționează în mod intercalat la 180˚ și împart în mod egal un curent continuu maxim de până la 60 A. Acest modul de evaluare include și diferite fire de șuntare pentru configurarea flexibilă și ușoară a circuitului pentru a se potrivi cu numeroase cazuri diferite de utilizare, inclusiv capacitatea de a fi controlat de un microcontroler (MCU) și convertoare de coborâre sau ridicare unidirecționale de putere ridicată.

Arhitectură multifazică master/slave pentru convertoare bidirecționale

Analog Devices oferă controlerul cu regulator de comutare cu coborâre-ridicare LT8708 pentru utilizare în convertoarele de putere bidirecționale de 12 volți/48 volți. LT8708 este un controler c.c. - c.c. sincron de coborâre-ridicare cu 4 comutatoare, de 80 volți, cu funcție bidirecțională care poate susține curenți de sarcină până la aproximativ 30 A. Pentru cerințele de curent mai mari, controlerul master LT8708 poate fi combinat cu unul sau mai multe cipuri slave. Utilizarea unei arhitecturi master/slave poate reduce costurile pentru soluții în designurile multifazice, deoarece un singur CI master (mai costisitor) poate controla mai multe CI-uri slave (cost redus).

Deoarece cipurile slave sunt conectate la master, acestea cresc în mod proporțional capacitatea sistemului în ceea ce privește puterea și curent. Totuși, este important ca cipurile slave să aibă aceleași moduri de conducție ca și LT8708, pentru a putea conduce curentul și puterea în aceeași direcție ca și cipul master. Cipul master controlează limitele generale pentru curent și tensiune pentru un sistem LT8708 multifazic, iar cipurile slave se conformează acestor limite.

Un cip slave poate fi conectat cu ușurință în paralel cu LT8708, prin interconectarea a patru semnale (Figura 6). Două limite de curent suplimentare (curent direct V_IN și curent de retur V_IN) sunt disponibile pe fiecare cip slave, care pot fi setate independent.

Figura 6: un convertor c.c. - c.c. trifazic care utilizează LT8708 (master) și CI-uri slave evidențiază cele patru interconexiuni de semnal. (Sursă imagine: Analog Devices)

Placa de demonstrație DC2719A de la Analog Devices utilizează un LT8708 combinat cu un cip slave asociat (LT8708-1) pentru a livra curent de 40 A. Placa poate funcționa atât în modul direct, cât și în cel de retur. Controlerul are regulatoare de tensiune de intrare și de ieșire integrate, precum și două seturi de regulatoare de curent de intrare și de ieșire care controlează fluxul de curent direct și de retur. Sunt incluse funcții pentru simplificarea conversiei bidirecționale de putere în sistemele de rezervă ale bateriei/condensatorului și în alte aplicații care ar putea necesita reglarea V_IN, V_OUT, I_IN și/sau I_OUT.

Corecția factorului de putere bidirecțional pentru BEV-uri care interacționează cu rețeaua

Pentru designerii de BEV-uri care interacționează cu rețeaua, Infineon oferă placa de evaluare EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un corector al factorului de putere cu pol de ieșire în contratimp și fără punte, de 3300 W, cu funcție de putere bidirecțională (Figura 7). Această placă PFC cu pol de ieșire în contratimp și fără punte este destinată aplicațiilor care necesită eficiență ridicată (aproximativ 99%) și densitate de putere ridicată (72 wați pe inch cubic).

Figura 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 este o placă PFC cu pol de ieșire în contratimp și fără punte, de 3300 W. (Sursă imagine: Infineon)

Topologia cu pol de ieșire în contratimp din aplicațiile PFC cu funcționare în mod de conducție continuă (CCM) este disponibilă prin utilizarea semiconductoarelor de bandă largă. În acest caz, se utilizează MOSFET-ul CoolSiC IMZA65R048M1 Infineon într-un pachet TO-247 cu patru pini, pentru a împinge eficiența până la 99% la jumătate de sarcină. Convertorul funcționează exclusiv la tensiune de linie ridicată (minim 176 volți rms, 230 volți rms nominal) în CCM cu o frecvență de comutare de 65 kilohertz (kHz).

Acest pol de ieșire în contratimp și fără punte bidirecțional, de 3300 W (PFC/c.a. - c.c. și invertor/c.a. - c.c.) este o soluție de sistem dezvoltată cu semiconductoare de putere Infineon, precum și cu drivere și controlere Infineon. Dispozitivele Infineon utilizate în design includ:

• MOSFET CoolSiC de 64 milliohmi (mΩ) și 650 volți (IMZA65R048M1) într-un pachet TO-247 cu patru pini ca și comutatoare de frecvență ridicată PFC cu pol de ieșire în contratimp
• MOSFET CoolMOS C7 de 17 mΩ și 600 volți (IPW60R017C7) într-un pachet TO-247 pentru calea de retur PFC cu pol de ieșire în contratimp (punte de frecvență redusă)
• Drivere de poartă izolate 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• Controler QR cu retur reductor ICE5QSAG și MOSFET CoolMOS P7 de 950 volți (IPU95R3K7P7AKMA1) pentru alimentare auxiliară de polarizare
• Microcontroler XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon pentru implementarea controlului PFC

Polul de ieșire în contratimp implementat în placa EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funcționează în CCM, atât în mod redresor (PFC), cât și invertor, cu implementarea controlului digital complet, utilizând microcontrolerul XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon.

Concluzie

Designerii fiind în căutarea modalităților de îmbunătățire a eficienței, arhitecturile de 12 volți/48 volți au apărut ca topologii perfecte pentru HEV-uri și BEV-uri. Acest lucru a creat nevoia de gestionare eficientă a puterii pentru optimizarea utilizării acestora. Convertoarele c.c. - c.c. și încărcătoarele de baterii bidirecționale au apărut pentru a permite sistemelor de 12 volți și 48 volți să se susțină reciproc în cazurile în care unul dintre ele trebuie reîncărcat sau în cazul în care apar condiții de suprasarcină.

De asemenea, în cazul BEV-urilor, o etapă PFC bidirecțională susține fluxul de putere bidirecțional între baterie și rețeaua de distribuție a energiei. Conexiunea V2G rezultantă aduce beneficii economice care depășesc îmbunătățirile economiei de combustibil, inclusiv abilitatea de a asigura energie în rețea în perioadele de cerere maximă și de a reîncărca bateriile vehiculului în timpul perioadelor de cerere redusă de electricitate.

Lectură recomandată

1. Utilizarea convertoarelor de putere specializate pentru asigurarea legăturii dintre 12 V și 48 V în sistemele auto
2. Introducerea EV-urilor în rețeaua inteligentă pentru stabilitate și securitate