Gebruik bidirectionele stroomconvertors en PFC om de efficiëntie van HEV, BEV en elektriciteitsnet te verbeteren

Ontwerpers van energiesystemen voor hybride elektrische voertuigen (HEV's) en batterij-elektrische voertuigen (BEV's) staan voortdurend onder druk om de efficiëntie en betrouwbaarheid te verbeteren en tegelijkertijd de kosten te verlagen. Terwijl de overgang naar dubbele 12 volt en 48 volt stroomrails heeft geholpen de efficiëntie te verbeteren door het gewicht van de chassisbedrading te verminderen, hebben de ontwerpers specifieke oplossingen nodig om de twee stroombronnen beter te beheren, zodat ze elkaar beter kunnen ondersteunen, terwijl ze ook het voertuig toestaan om tweerichtingsvoertuig-naar-netwerktoepassingen (V2G) te ondersteunen.

Deze behoefte heeft geleid tot de ontwikkeling van bidirectionele convertors en bidirectionele vermogensfactorcorrectiesystemen (PFC) die ontwerpers in staat stellen om de algemene prestaties van een dubbel 12 volt/48 volt elektrisch voertuig (EV) ontwerp te optimaliseren en ook verbinding te maken met het net voor bidirectionele stroom.

Dit artikel definieert en beoordeelt de voordelen van bidirectionele vermogensconversie in autosystemen en de bijbehorende normen. Het introduceert vervolgens oplossingen van leveranciers zoals Texas Instruments, Analog Devices, en Infineon Technologies en laat zien hoe ze kunnen worden gebruikt om bidirectionele vermogensconvertors te implementeren.

Wat is bidirectionele vermogensconversie?

In een HEV met een dubbel voltage 12 volt/48 volt architectuur verbindt een bidirectionele voeding de 12 volt en 48 volt systemen zodat de ene batterij door de andere kan worden opgeladen. Ook kan elke accu in geval van overbelasting extra energie leveren voor beide spanningsrails (Afbeelding 1). Als gevolg hiervan kunnen ontwerpers kleinere batterijen gebruiken voor elk van hen, wat resulteert in een hogere betrouwbaarheid, een grotere efficiëntie en lagere kosten.

Afbeelding 1: Een bidirectionele voeding in het hart van een dual voltage architectuur verbindt de 12 volt en 48 volt systemen zodat elke batterij door de andere kan worden opgeladen en extra stroom kan leveren in het geval van een overbelasting. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

In BEV's kunnen ontwerpers bidirectionele PFC gebruiken om het laden van de batterij in twee richtingen te ondersteunen, evenals het gebruik van V2G. Een V2G-systeem ondersteunt een hogere efficiëntie op verschillende manieren:

• Het kan energie teruggeven aan het net tijdens periodes van grote vraag.
• Het kan de laadstroom op de accu's verminderen als dat nodig is om de belasting op het net in evenwicht te brengen.
• Het maakt het mogelijk om het voertuig te gebruiken om energie uit hernieuwbare energiebronnen op te slaan.

Terwijl dual voltage systemen in HEV's autonoom zijn in het voertuig en het brandstofverbruik verbeteren, is de bidirectionele lader in een V2G-systeem ontworpen om bredere kostenvoordelen te brengen dan verbeteringen in het brandstofverbruik en moet het een interface hebben met de buitenwereld.

De implementatie van V2G vereist communicatietechnologieën en -algoritmen om de status van het net aan te voelen, evenals de mogelijkheid om een interface te maken met de oplaadinfrastructuur voor elektrische voertuigen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Naast bidirectionele vermogensconversie moeten V2G-systemen verschillende interconnect- en communicatiestandaarden bevatten. (Bron afbeelding: Honda))

De resulterende V2G-infrastructuur brengt economische voordelen met zich mee, waaronder de mogelijkheid om stroom te leveren aan het net in perioden van piekvraag (wat mogelijk inkomsten oplevert voor de voertuigeigenaar) en het opladen van voertuigaccu's in perioden van lage vraag naar elektriciteit (waardoor de kosten voor het opladen van voertuigen worden verlaagd).

Normen met betrekking tot bidirectionele vermogensconversie

De LV148/VDA320-specificaties definiëren de elektrische eisen en testvoorwaarden voor het combineren van een 48-volt bus en een 12-volt bus in tweevoudige spanningssystemen voor auto's (Afbeelding 3). LV148 is goedgekeurd door de Duitse autofabrikanten Audi, BMW, Daimler, Porsche en Volkswagen, en is van toepassing op zowel conventionele voertuigen met inwendige verbranding als op zware voertuigen. Op het moment van dit schrijven is de ISO 21780-norm voor "Wegvoertuigen - Voedingsspanning van 48 V - Elektrische eisen en keurings" in ontwikkeling.

Afbeelding 3: De LV148/VDA320-specificaties definiëren de elektrische eisen en testvoorwaarden voor het combineren van een 48 volt bus en een 12 volt bus in dual voltage automotive systemen; weergegeven is de specificatie voor een 48 volt bus. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Er zijn verschillende communicatieprotocollen die van toepassing kunnen zijn op V2G-systemen, waaronder:

• ISO/IEC 15118: Definieert een V2G-communicatie-interface voor bidirectionele oplading/ontlading van elektrische voertuigen. Het maakt gebruik van de IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) breedband Power Line Communication (PLC) specificatie als het beste protocol om robuuste communicatie en een hoge datasnelheid te garanderen. Met HPGP, dat werkt op frequenties tussen 2 MHz en 30 MHz, kan het systeem geldige gegevens op een aangesloten lijn onderscheiden van ruis van andere nabijgelegen bronnen.
• IEC 61850: Definieert communicatieprotocollen voor intelligente elektronische apparaten op elektrische onderstations die kunnen helpen bij het beheer van de energiestroom tussen hernieuwbare energiebronnen en apparatuur voor de levering van elektrische voertuigen (EVSE), zoals laders.

Afbeelding 4: IEC 61850 definieert het vermogen en de gegevensstromen voor V2G-systemen en gebruikt de IEEE P1901.2 HPGP PLC-specificatie om een robuuste communicatie en een hoge datasnelheid te garanderen. (Bron afbeelding: IBIS)

Bidirectionele meerfasige DC-DC-convertors voor 12 volt/48 volt-systemen

Het hoge vermogen van een typische 12 volt/48 volt bidirectionele DC-DC-convertor resulteert meestal in het gebruik van een meerfasetopologie. Een meerfasig ontwerp verbetert de algehele omzettingsefficiëntie door faseverschuiving mogelijk te maken, waardoor het aantal actieve fasen afneemt naarmate de vraag naar vermogen afneemt. Meerfasige ontwerpen maken ook het gebruik van kleinere filtercomponenten op de uitgangen van elke fase mogelijk; het gebruik van kleinere inductors verbetert de belastingsdoorlaatbaarheid. Ten slotte leidt het bedienen van de fasen met de juiste tussenruimte tot een lagere uitgangsrimpel.

De LM5170-Q1 van Texas Instruments is een krachtige, meerfasige bidirectionele stroomregelaar die bedoeld is om de stroomoverdracht tussen de 48 volt sectie en de 12 volt sectie van automotive dual-batterijsystemen te beheren (Afbeelding 5). Het integreert essentiële analoge functies die het ontwerp van hoogvermogen convertors met een minimaal aantal externe componenten mogelijk maken. Meerfasige parallelle werking wordt bereikt door twee LM5170-Q1-regelaars aan te sluiten voor drie- of vierfasige werking, of door meerdere regelaars te synchroniseren met faseverschuivende klokken voor een hoger aantal fasen.

Afbeelding 5: De LM5170-Q1 meerfasige bidirectionele stroomregelaar beheert de stroomoverdracht tussen de 48 volt en 12 volt secties van een dual-batterijsysteem voor auto's; de rode pijlen benadrukken de bidirectionele stroomstroom. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De LM5170-Q1 bevat tweekanaals differentiële stroomversterkers en speciale kanaalstroommonitoren om een typische stroomnauwkeurigheid van 1% te bereiken. Robuuste 5 ampère (A) halfbrug drivers zijn in staat om parallelle MOSFET-schakelaars te besturen die 500 watt of meer per kanaal leveren. De diode-emulatiemodus van de synchrone gelijkrichters voorkomt negatieve stromen, maar maakt ook discontinuïteit in de werking mogelijk voor een beter rendement bij lichte belastingen. De veelzijdige beschermingseigenschappen omvatten het beperken van de stroom per cyclus, overspanningsbeveiliging bij zowel hoog- als laagspanningspoorten, MOSFET-foutenopsporing en bescherming tegen oververhitting. Deze regelaar is geschikt voor de functionele veiligheid van auto's.

Texas Instruments biedt de LM5170EVM-BIDIR-evaluatiemodule aan zodat ingenieurs de LM5170-Q1 kunnen evalueren in 12 volt/48 volt dual-batterij systeemtoepassingen. De twee fasen werken in 180˚ interleaved bedrijf, en ze delen gelijkmatig een maximale gelijkstroom tot 60 A. Deze evaluatiemodule bevat ook verschillende jumpers om de schakeling flexibel en gemakkelijk te configureren voor veel verschillende toepassingen, waaronder de mogelijkheid om te worden bestuurd door een microcontroller (MCU) en hoogvermogen unidirectionele buck of boost-convertors.

Master/slave meerfasige architectuur voor bidirectionele convertors

Analog Devices biedt de LT8708 buck-boost schakelende regelaar voor gebruik in 12 volt/48 volt bidirectionele spanningsconvertor. De LT8708 is een 80 volt synchrone 4-switch buck-boost DC-DC-controller met bi-directionele capaciteit die belastingsstromen tot ongeveer 30 A kan ondersteunen. Voor hogere stroombehoeften kan de LT8708 mastercontroller worden gecombineerd met één of meer slave-chips. Het gebruik van een master/slave-architectuur kan de kosten van oplossingen in meerfasige ontwerpen verlagen, omdat een enkele (duurdere) master-IC meerdere (goedkopere) slave-IC's kan controleren.

Omdat de slaves zijn aangesloten op de master, verhogen ze proportioneel het vermogen en de stroomcapaciteit van het systeem. Het is echter belangrijk dat de slave dezelfde geleidingsmodi heeft als de LT8708 zodat hij stroom en vermogen in dezelfde richting kan geleiden als de master. De master regelt de totale stroom- en spanningslimieten voor een LT8708-meerfasensysteem en de slaves voldoen aan deze limieten.

Een slave kan eenvoudig parallel worden geschakeld met de LT8708 door vier signalen met elkaar te verbinden (Afbeelding 6). Er zijn twee extra stroomlimieten (voorwaarts V_IN stroom en omgekeerd V_IN stroom) beschikbaar op elke slave die onafhankelijk van elkaar kunnen worden ingesteld.

Afbeelding 6: Een driefasige DC-DC-convertor die gebruik maakt van de LT8708 (master) en slave-IC's benadrukt de vier signaalverbindingen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het DC2719A-demobord van Analog Devices gebruikt een LT8708 in combinatie met een bijbehorende slave (LT8708-1) om 40 A stroom te leveren. Het bord kan zowel in de vooruit- als in de achteruitmodus werken. De regelaar heeft geïntegreerde ingangs- en uitgangsspanningsregelaars en twee sets ingangs- en uitgangsstroomregelaars die de stroom in voorwaartse of achterwaartse richting regelen. Er zijn functies opgenomen die bidirectionele stroomconversie in batterij/condensator back-upsystemen en andere toepassingen die mogelijk regulering van V_IN, V_UIT, I_IN en/of I_UIT nodig hebben.

Bidirectionele vermogensfactorcorrectie voor interactieve BEV's op het elektriciteitsnet

Voor ontwerpers van rasterinteractieve BEV's biedt Infineon het EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-evaluatiebord, een 3300 W brugpolige vermogensfactorcorrector met tweerichtingsvermogen (Afbeelding 7). Deze brugvrije totempaal PFC-bord is bedoeld voor toepassingen die een hoog rendement (ongeveer 99%) en een hoge vermogensdichtheid (72 watt per kubieke inch) vereisen.

Afbeelding 7: Het EVAL3K3WTPPFFCSICTOBO1 is een 3300 W brugvrije totempaal PFC-bord. (Bron afbeelding: Infineon)

De totempoldertopologie in PFC-toepassingen met continugeleiding (CCM) wordt mogelijk gemaakt door gebruik te maken van breedbandkloof-halfgeleiders. In dit geval wordt de Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET in een TO-247 vier-pins pakket gebruikt om de efficiëntie te verhogen tot 99% bij halve belasting. De convertor werkt uitsluitend met een hoge netspanning (176 volt rms minimaal, 230 volt rms nominaal) in CCM met een schakelfrequentie van 65 kilohertz (kHz).

Deze bi-directionele (PFC/AC-DC en inverter/AC-DC) totempaal van 3300 W is een systeemoplossing die is ontwikkeld met Infineon vermogenshalfgeleiders, evenals Infineon drivers en controllers. De Infineon-apparaten die in het ontwerp worden gebruikt zijn onder andere:

• 64 milliohm (mΩ) 650 volt CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) in een TO-247 vierpolig pakket als totempolige PFC hoogfrequent schakelaars
• 17 mΩ 600 volt CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7) in een TO-247-pakket voor de totempaal PFC-retourpad (laagfrequente brug)
• 2EDF7275F geïsoleerde gate drivers (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR flyback controller en 950 volt CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1) voor de bias hulpvoeding
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon-microcontroller voor PFC-besturingsimplementatie

De totempaal die in het EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-bord is geïmplementeerd, werkt in CCM zowel in gelijkrichter- (PFC) als in omvormermodus, met volledige digitale besturingsimplementatie met behulp van de Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1-microcontroller.

Conclusie

Met ontwerpers die de efficiëntie willen verbeteren, zijn dual-voltage 12 volt/48 volt architecturen ontstaan als de topologie van de keuze voor HEV's en BEV's. Hierdoor is een behoefte ontstaan aan efficiënt energiebeheer om het gebruik ervan te optimaliseren. Bidirectionele DC-DC-convertors en acculaders zijn ontstaan om 12 volt en 48 volt systemen te ondersteunen in gevallen waar men moet worden opgeladen, of in het geval van een overbelastingstoestand.

Ook in het geval van BEV's ondersteunt een bidirectionele PFC-fase de bidirectionele energiestroom tussen de accu en het elektriciteitsnet. De resulterende V2G-aansluiting brengt economische voordelen met zich mee die verder gaan dan verbeteringen in het brandstofrendement, waaronder de mogelijkheid om stroom te leveren aan het net in perioden van piekvraag, en het opladen van voertuigaccu's in perioden van lage vraag naar elektriciteit.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Gebruik gespecialiseerde vermogenconvertors om de dubbele 12 V naar 48 V kloof in automotive systemen te overbruggen
2. EV's introduceren in het slimme netwerk voor stabiliteit en veiligheid