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EV 無變壓器快速充電解決方案

發(fā)布時(shí)間:2022-12-16 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在插電式電動(dòng)汽車 (PEV) 系統(tǒng)中,充電器可分為三個(gè)級(jí)別:AC Level 1 (<1.92 kW)、AC Level 2 (<19.2 kW) 和 DC Level 3 (>19.2 kW)。1由于其體積和重量,不建議在高功率 3 級(jí)系統(tǒng)中使用車載充電器。


在插電式電動(dòng)汽車 (PEV) 系統(tǒng)中,充電器可分為三個(gè)級(jí)別:AC Level 1 (<1.92 kW)、AC Level 2 (<19.2 kW) 和 DC Level 3 (>19.2 kW)。1由于其體積和重量,不建議在高功率 3 級(jí)系統(tǒng)中使用車載充電器。


本文將為功率高達(dá) 22 kW 的非車載非隔離式直流快速充電器提出兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該充電器的典型模塊方案包括一個(gè) AC/DC 整流器級(jí),然后是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AC/DC 級(jí)通常使用單相或三相應(yīng)用來實(shí)現(xiàn),具體取決于電網(wǎng)要求。三相選項(xiàng)提供了為電網(wǎng)接口和 DC/DC 級(jí)共享相同硬件的好處。在此處閱讀原文。


漏電流


漏電流是非隔離直流快充的典型問題。圖1中的紅線表示漏電流可以流過電網(wǎng)地和EV底盤的路徑。2,3此問題的一個(gè)常見解決方案是引入隔離式變壓器(電源轉(zhuǎn)換級(jí))。然而,與非隔離式拓?fù)湎啾?,隔離式系統(tǒng)的成本要高得多,體積也更重/更大。此外,變壓器會(huì)造成額外的功率損耗,從而降低效率。


EV 無變壓器快速充電解決方案

圖 1:EV 充電系統(tǒng)中的漏電流路徑


根據(jù) IEC 61851-1 標(biāo)準(zhǔn),電動(dòng)汽車充電器不強(qiáng)制使用變壓器,4如果電動(dòng)汽車系統(tǒng)中包含剩余電流裝置 (RCD),則無需額外的電氣隔離?;谏鲜鲆蛩兀ㄗh采用非隔離式直流快速充電器來解決漏電流問題,而無需使用額外的變壓器。


充電器配置


提議的充電器解決方案符合國(guó)際 (IEC) 和美國(guó)(IEEE、NEMA)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 IEC 標(biāo)準(zhǔn),電源電壓為 240 V 或 400 V(三相),線路頻率為 50 Hz。在建議的直流充電器中,選擇 390 V 和 650 V 作為直流母線。


基本的兩級(jí)開關(guān)臂、Supper 和 Slower,以及 LC 濾波器構(gòu)成了建議的充電器。鑒于其高額定電流和電壓,Wolfspeed C2M0025120D SiC MOSFET 被選為電路的主要開關(guān)??紤]到快速充電的功率級(jí)別 3 要求和設(shè)備的額定電流,為電網(wǎng)接口側(cè)選擇了32A rms額定開關(guān)臂電流。下一節(jié)解釋了選擇額定電流值 (32 A rms ) 的基本原理。


綜上所述,二級(jí)雙向非隔離直流快速充電器的設(shè)計(jì)一直基于圖2所示的配置選項(xiàng)。


EV 無變壓器快速充電解決方案

圖 2:快速直流充電器配置選項(xiàng)


拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


針對(duì)所提出的充電解決方案引入了單相和三相兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


對(duì)于單相拓?fù)?,可以使用圖 3 中的公式確定相電流,其中U grid、I grid和α分別是單相電壓、電流和功率因數(shù)。根據(jù)這個(gè)等式,在給定功率要求和電網(wǎng)電壓的情況下,可以計(jì)算出所需的電流。


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圖 3:?jiǎn)蜗嗤負(fù)涞南嚯娏饔?jì)算


相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4 所示。


兩個(gè)開關(guān)臂在 AC/DC 側(cè)組合形成一個(gè)全橋整流器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器只需一個(gè)開關(guān)臂即可為電池提供直流電源( 8 kW)。


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圖 4:非隔離單相充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


與前一種情況類似,當(dāng)功率率和電網(wǎng)電壓已知時(shí),可以確定相電流,如圖 5 所示。然后可以評(píng)估并聯(lián)開關(guān)臂的總數(shù) (32 A rms ) 。


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圖 5:三相拓?fù)涞墓β视?jì)算


在圖 6 中,顯示了相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三個(gè)開關(guān)臂構(gòu)成三相整流器的交流/直流側(cè)。三個(gè)開關(guān)臂并聯(lián)用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池提供直流電源( 22 kW)。


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圖 6:非隔離式三相充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


可以看出,AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共享相同的直流母線。


硬件設(shè)計(jì)


實(shí)驗(yàn)硬件由以下部分組成:


三相逆變器板,基于六個(gè) C2M0025120D SiC MOSFET、六個(gè) CRD-001 柵極驅(qū)動(dòng)器、九個(gè)直流總線電容器 (B32774D8505K) 和一個(gè)直流電壓傳感器 (RP1215D)


組件板,基于九個(gè)三相電容器(B32774D8126K000,12 μF)、三個(gè)電壓傳感器(RP1215D)、三個(gè)電流傳感器(CKSR 25-NP)和三個(gè)功率繼電器(T9SV1K15-12)


三相平面電感器,專為非隔離式快速充電器應(yīng)用而設(shè)計(jì)


微控制器:TMS320F28377S MCU 用于為 AC/DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器生成 PWM 信號(hào)。


保護(hù)裝置:為了自動(dòng)切斷輸出和電池之間的連接,在電池本身和DC/DC轉(zhuǎn)換器之間安裝了一個(gè)直流斷路器(M9U21240)。在電網(wǎng)接口和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器之間,連接了一個(gè)斷路器 (F204A-63/0.03) 和 RCD (M9F22463)。交流斷路器將防止在電網(wǎng)和接口之間流動(dòng)的交流電流發(fā)生過電流。如果電網(wǎng)漏電超過閾值,RCD 會(huì)檢測(cè)到并斷開電網(wǎng)與逆變器的連接。


AC/DC 側(cè)的對(duì)稱電路示意圖如圖 7 所示。逆變器板和元件板由高壓區(qū)域隔開,距離為 8 mm,提供 800-V 隔離。


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圖 7:電網(wǎng)側(cè)三相充電機(jī)示意圖


除了硬件保護(hù)外,軟件保護(hù)用于在出現(xiàn)意外情況時(shí)禁用充電器。


建議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)


所提出的兩種非隔離拓?fù)涠际菬o變壓器的,這大大減少了充電系統(tǒng)的空間和重量。所有組件都可以放置在一個(gè) 450 × 400 × 200-mm 的封裝中,而估計(jì)的 0.6 kW/L 功率密度顯著高于目前市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的快速充電設(shè)備。


與獨(dú)立充電器相比,所提出的拓?fù)渫ㄟ^消除變壓器造成的損耗來提高效率。圖 8 顯示了 DC/DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的評(píng)估效率。


EV 無變壓器快速充電解決方案

圖 8:經(jīng)測(cè)試的 DC/DC 級(jí)效率


峰值效率達(dá)到99.3%,而在額定功率為22kW時(shí),峰值效率為98.8%。額定功率下的平均效率為 98.5%。零序電流控制可以避免漏電流,因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電容器的公共點(diǎn)連接到直流母線。泄漏電流將被限制在較低水平并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。


(出處:powerelectronicsnews)


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