Wykorzystanie dwukierunkowych przetwornic mocy i korekcji współczynnika mocy (PFC) do zwiększenia sprawności sieci elektrycznej oraz pojazdów HEV i BEV

Projektanci systemów zasilania do hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i akumulatorowych pojazdów elektrycznych (BEV) są pod ciągłą presją poprawy sprawności i niezawodności przy jednoczesnym obniżaniu kosztów. O ile przejście na układ dwóch szyn zasilających 12V i 48V pomogło poprawić sprawność poprzez zmniejszenie ciężaru okablowania podwozia, projektanci potrzebują dedykowanych rozwiązań, aby lepiej zarządzać dwoma źródłami zasilania i aby mogły one się lepiej wzajemnie uzupełniać, jednocześnie umożliwiając pojazdowi pracę dwukierunkową w układzie pojazd-sieć (V2G).

Potrzeba ta doprowadziła do opracowania dwukierunkowych przetwornic i układów dwukierunkowej korekcji współczynnika mocy (PFC), które pozwalają projektantom zoptymalizować ogólne osiągi konstrukcji pojazdu elektrycznego (EV) o podwójnym napięciu 12/48V, a także podłączać się do sieci w celu zapewnienia dwukierunkowego przepływu mocy.

W tym artykule określono i omówiono korzyści płynące z dwukierunkowej konwersji mocy w układach samochodowych oraz związane z tym normy. W dalszej części artykułu przedstawiono rozwiązania od dostawców, takich jak Texas Instruments, Analog Devices i Infineon Technologies i przedstawiono sposób ich wykorzystania do wdrożenia dwukierunkowych przetwornic mocy.

Czym jest dwukierunkowa konwersja mocy?

W hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV) z architekturą dwunapięciową 12V/48V, instalacje 12V i 48V są sprzęgnięte przez dwukierunkowy układ zasilania, dzięki któremu jeden akumulator może być ładowany przez drugi. Dzięki niemu każdy akumulator ma zapewnioną dodatkową moc dla dowolnej szyny napięciowej w przypadku stanu przeciążenia (ilustracja 1). W rezultacie projektanci mogą stosować mniejsze akumulatory dla każdej z nich, co przekłada się na większą niezawodność, lepszą sprawność oraz niższe koszta.

Ilustracja 1: dwukierunkowy zasilacz stanowiący centralny element architektury dwunapięciowej łączy instalacje 12V i 48V, dzięki czemu jeden akumulator może być ładowany przez drugi i zapewnia dodatkową moc w przypadku przeciążenia. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

W akumulatorowych pojazdach elektrycznych (BEV), do obsługi dwukierunkowego ładowania akumulatora a także pracy w układzie pojazd-sieć (V2G), projektanci mogą używać dwukierunkowej korekcji współczynnika mocy (PFC). Układ pojazd-sieć (V2G) poprawia sprawność na kilka sposobów:

• może zwracać energię do sieci w okresach dużego zapotrzebowania;
• w razie potrzeby może zmniejszyć intensywność ładowania akumulatorów, aby wspomóc zrównoważenie obciążenia sieci;
• pozwala na wykorzystanie pojazdu do magazynowania energii z odnawialnych źródeł energii.

Podczas gdy instalacje dwunapięciowe w hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV) działają autonomicznie w obrębie pojazdu i zwiększają oszczędność paliwa, to dwukierunkowe ładowarki w układzie pojazd-sieć (V2G) zostały zaprojektowane tak, aby przynosić szersze korzyści ekonomiczne, wykraczające poza zwiększenie oszczędności paliwa oraz współpracować z instalacjami zewnętrznymi.

Wdrożenie układu pojazd-sieć (V2G) wymaga technologii komunikacyjnych i algorytmów do wykrywania stanu sieci, a także możliwości współpracy z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: oprócz dwukierunkowej konwersji mocy, układy pojazd-sieć (V2G) muszą spełniać różne normy połączeń i komunikacji. (Źródło ilustracji: Honda)

Powstała infrastruktura pojazd-sieć (V2G) przynosi korzyści ekonomiczne, w tym możliwość dostarczania energii do sieci w okresach szczytowego zapotrzebowania (potencjalnie generując dochód dla właściciela pojazdu) oraz ładowania akumulatorów pojazdów w okresach niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną (zmniejszenie kosztów ładowania pojazdu).

Normy związane z dwukierunkową konwersją mocy

Wymagania elektryczne i warunki testowe odnośnie do łączenia magistrali 48V i magistrali 12V w dwunapięciowych instalacjach samochodowych (ilustracja 3) określają specyfikacje LV148/VDA320. Specyfikacja LV148 została przyjęta przez niemieckich producentów samochodów Audi, BMW, Daimler, Porsche i Volkswagen i ma ona zastosowanie do konwencjonalnych pojazdów spalinowych, a także hybrydowych pojazdów elektrycznych. W chwili pisania tego tekstu opracowywana jest norma ISO 21780 dotycząca „Pojazdów drogowych - Napięcie zasilania 48V - Wymagania elektryczne i testy”.

Ilustracja 3: wymagania elektryczne i warunki testowe odnośnie do łączenia magistrali 48V i 12V w dwunapięciowych instalacjach samochodowych (przedstawionych w specyfikacjach dla magistrali 48V) określają specyfikacje LV148/VDA320. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Istnieje kilka protokołów komunikacyjnych, które mogą znaleźć zastosowanie w układach pojazd-sieć (V2G). Są to m.in.:

• ISO/IEC 15118: definiuje interfejs komunikacyjny pojazd-sieć (V2G) do dwukierunkowego ładowania/rozładowywania pojazdów elektrycznych. Wykorzystuje on specyfikację IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) szerokopasmowej komunikacji liniami zasilającymi (PLC) jako najlepszy protokół zapewniający niezawodną komunikację i dużą szybkość transmisji danych. Działająca na częstotliwościach od 2MHz do 30MHz specyfikacja HPGP umożliwia systemowi odróżnienie prawidłowych danych na podłączonej linii od zakłóceń z innych pobliskich źródeł.
• IEC 61850: definiuje protokoły komunikacyjne dla inteligentnych urządzeń elektronicznych w podstacjach elektroenergetycznych, które mogą pomóc w zarządzaniu przepływem energii między odnawialnymi źródłami energii elektrycznej a urządzeniami do zasilania pojazdów elektrycznych (EVSE), takimi jak ładowarki.

Ilustracja 4: norma IEC 61850 definiuje przepływ energii oraz danych na potrzeby układów pojazd-sieć V2G i wykorzystuje specyfikację IEEE P1901.2 HPGP PLC do zapewnienia niezawodnej komunikacji i dużej szybkości transmisji danych. (Źródło obrazu: IBIS)

Dwukierunkowe wielofazowe przetwornice prądu stałego do układów 12V/48V

Wysoki poziom mocy typowej dwukierunkowej przetwornicy prądu stałego 12V/48V zazwyczaj skutkuje zastosowaniem topologii wielofazowej. Konstrukcja wielofazowa poprawia ogólną sprawność konwersji, umożliwiając zmniejszenie liczby aktywnych faz w momencie spadku zapotrzebowania na moc. Konstrukcje wielofazowe umożliwiają również stosowanie mniejszych elementów filtrujących na wyjściach każdej z faz. Zastosowanie mniejszych cewek indukcyjnych poprawia odporność na stany nieustalone obciążeń. Wreszcie, stosowanie faz z odpowiednim przeplotem skutkuje mniejszymi tętnieniami wyjściowymi.

Układ LM5170-Q1 firmy Texas Instruments to wysokowydajny, wielofazowy, dwukierunkowy kontroler prądu przeznaczony do zarządzania transferem prądu między sekcją 48V a sekcją 12V samochodowych układów z dwoma akumulatorami (ilustracja 5). Łączy on w sobie podstawowe funkcje analogowe, które umożliwiają projektowanie przetwornic dużej mocy przy minimalnej liczbie elementów zewnętrznych. Wielofazową pracę równoległą uzyskuje się przez podłączenie dwóch kontrolerów LM5170-Q1 w przypadku pracy trójfazowej lub czterofazowej lub przez synchronizację wielu kontrolerów z zegarami z przesunięciem fazowym w przypadku większej liczby faz.

Ilustracja 5: wielofazowy dwukierunkowy kontroler prądu LM5170-Q1 służy do zarządzania przepływem prądu między sekcjami 48V i 12V w samochodowych instalacjach z dwoma akumulatorami. Czerwone strzałki wskazują dwukierunkowy przepływ prądu. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Układ LM5170-Q1 zawiera dwukanałowe wzmacniacze pomiarowe prądu i dedykowane monitory kanałów prądowych, których standardowa dokładność pomiaru wynosi 1%. Wytrzymałe sterowniki półmostkowe bramek 5A są w stanie kontrolować równoległe przełączniki MOSFET dostarczające mocy 500W lub więcej na kanał. Tryb emulacji diody w prostownikach synchronicznych zapobiega prądom ujemnym, ale umożliwia również pracę w trybie nieciągłym w celu zwiększenia wydajności przy niewielkich obciążeniach. Wśród uniwersalnych funkcji zabezpieczających znalazły się: ograniczanie prądu cykl po cyklu, zabezpieczenie nadnapięciowe zarówno na portach wysokiego, jak i niskiego napięcia, wykrywanie awarii tranzystorów MOSFET i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą. Kontroler ten zapewnia bezpieczeństwo funkcjonalne w motoryzacji.

Firma Texas Instruments oferuje moduły ewaluacyjne LM5170EVM-BIDIR, dzięki którym inżynierowie mogą dokonywać ewaluacji układów LM5170-Q1 w zastosowaniach z dwoma akumulatorami 12V/48V. Obie fazy działają w trybie przeplotu 180° i równomiernie dzielą maksymalny prąd stały sięgający 60A. Ten moduł ewaluacyjny zawiera również różne mostki umożliwiające elastyczną i wygodną konfigurację układu w celu dopasowania go do wielu różnych zastosowań, w tym możliwość sterowania przez mikrokontroler (MCU) oraz jednokierunkowe przetwornice obniżająco-podwyższające dużej mocy.

Hierarchiczna architektura wielofazowa dla przetwornic dwukierunkowych

Do zastosowań w dwukierunkowych przetwornicach mocy 12V/48V firma Analog Devices oferuje kontroler obniżająco-podwyższającego regulatora przełączającego LT8708. Układ LT8708 jest synchronicznym, 4-przełącznikowym kontrolerem obniżająco-podwyższającym prądu stałego 80V z możliwością pracy w dwóch kierunkach, który może obsługiwać prądy obciążeniowe do około 30A. W przypadku potrzeby obsługi wyższych prądów nadrzędny kontroler LT8708 można połączyć z jednym lub kilkoma układami podrzędnymi. Zastosowanie architektury hierarchicznej (master/slave) może obniżyć koszty rozwiązania w układach wielofazowych, ponieważ jeden (droższy) nadrzędny układ scalony może sterować wieloma (tańszymi) układami podrzędnymi.

Ponieważ urządzenia podrzędne są podłączone do urządzenia nadrzędnego, proporcjonalnie zwiększają moc i wydajność prądową układu. Jednak ważne jest, aby urządzenie podrzędne miało te same tryby przewodzenia co układ LT8708, aby mogło przewodzić prąd i moc w tym samym kierunku co urządzenie nadrzędne. Urządzenie nadrzędne (master) kontroluje ogólne ograniczenia prądu i napięcia dla układu wielofazowego LT8708, a urządzenia podrzędne (slave) przestrzegają tych ograniczeń.

Urządzenie podrzędne można łatwo połączyć równolegle z układem LT8708, łącząc ze sobą cztery sygnały (ilustracja 6). Na każdym urządzeniu podrzędnym, które można skonfigurować niezależnie, dostępne są dwa dodatkowe ograniczenia prądu (prąd przewodzenia V_IN i prąd wsteczny V_IN).

Ilustracja 6: trójfazowa przetwornica prądu stałego wykorzystująca układ LT8708 (nadrzędny) i podrzędne układy scalone z przedstawieniem wzajemnych połączeń czterech sygnałów. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Płytka demonstracyjna DC2719A firmy Analog Devices wykorzystuje układ LT8708 w połączeniu z układem podrzędnym (LT8708-1) w celu dostarczenia prądu o natężeniu 40A. Płytka może działać zarówno w kierunku przewodzenia, jak i wstecznym. Kontroler posiada zintegrowane regulatory napięcia wejściowego i wyjściowego oraz dwa zestawy regulatorów prądu wejściowego i wyjściowego, które kontrolują przepływ prądu w obydwu kierunkach. Zawiera on funkcje, które upraszczają dwukierunkową konwersję mocy w akumulatorowo-kondensatorowych układach zasilania awaryjnego i innych zastosowaniach, które mogą wymagać regulacji parametrów V_IN, V_OUT, I_IN lub I_OUT.

Dwukierunkowa korekcja współczynnika mocy dla akumulatorowych pojazdów elektrycznych (BEV) współpracujących z siecią energetyczną

Projektantom akumulatorowych pojazdów elektrycznych (BEV) współpracujących z siecią energetyczną firma Infineon oferuje płytki ewaluacyjne EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, bezmostkowy dwukierunkowy korektor współczynnika mocy typu „totem-pole” o mocy 3300W z możliwością dwukierunkowego przepływu energii (ilustracja 7). Płytka bezmostkowego korektora współczynnika mocy (PFC) typu „totem-pole” jest przeznaczona do zastosowań wymagających wysokiej sprawności (około 99%) i dużej gęstości mocy (72W na cal sześcienny).

Ilustracja 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 jest płytką bezmostkowego korektora współczynnika mocy (PFC) typu „totem-pole” o mocy 3300W. (Źródło ilustracji: Infineon)

Topologia „totem-pole” w zastosowaniach wiążących się z korekcją współczynnika mocy (PFC) z pracą w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) jest możliwa dzięki zastosowaniu półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. W tym przypadku tranzystor CoolSiC MOSFET IMZA65R048M1 firmy Infineon w czterowtykowej obudowie TO-247 zwiększa sprawność do 99% przy połowie obciążenia. Przetwornica działa wyłącznie przy wysokim napięciu liniowym (minimum 176Vrms, nominalnie 230Vrms) w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) z częstotliwością przełączania 65kHz.

Dwukierunkowy bezmostkowy układ typu „totem-pole” o mocy 3300W (PFC/prąd zmienny-prąd stały i przemiennik/prąd zmienny-prąd stały) jest rozwiązaniem systemowym opracowanym przy użyciu półprzewodników mocy, a także sterowników i kontrolerów firmy Infineon. Niektóre z urządzeń firmy Infineon zastosowanych w projekcie:

• tranzystor CoolSiC MOSFET 64mΩ 650V (IMZA65R048M1) w obudowie czterowtykowej TO-247 jako przełącznik wysokiej częstotliwości korektora PFC typu „totem-pole”
• tranzystor CoolMOS C7 MOSFET 17mΩ 600V (IPW60R017C7) w obudowie TO-247 dla toru powrotnego korektora PFC typu „totem-pole” (mostek niskiej częstotliwości)
• izolowane sterowniki bramek 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• mikrokontroler XMC1404Q048X0200AAXUMA1 firmy Infineon do realizacji funkcji sterowania korekcją współczynnika mocy (PFC)

Układ „totem-pole” zaimplementowany na płytce EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 działa w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) zarówno w trybie prostownika (PFC), jak i przemiennika, z pełną realizacją sterowania cyfrowego za pomocą mikrokontrolera XMC1404Q048X0200AAXUMA1 firmy Infineon.

Podsumowanie

Architektury instalacji dwunapięciowych 12V/48 V są topologiami wybieranymi przez projektantów elektrycznych pojazdów hybrydowych (HEV) i akumulatorowych (BEV), gdyż pozwalają na poprawę sprawności. Stworzyło to potrzebę efektywnego zarządzania energią w celu optymalizacji jej wykorzystania. Pojawiły się dwukierunkowe przetwornice prądu stałego i ładowarki akumulatorów, które umożliwiają wzajemne wspomaganie instalacji 12 V i 48 V w przypadkach, gdy jeden z nich wymaga naładowania lub jest przeciążony.

Ponadto w przypadku akumulatorowych pojazdów elektrycznych (BEV), stopień dwukierunkowej korekcji współczynnika mocy (PFC) obsługuje dwukierunkowy przepływ energii pomiędzy akumulatorem a siecią energetyczną. Powstałe w ten sposób połączenie pojazd-sieć (V2G) przynosi oszczędności wykraczające poza samo zużycie paliwa, takie jak możliwość dostarczania energii do sieci energetycznej w okresach szczytowego zapotrzebowania oraz ładowania akumulatorów pojazdów w okresach niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Rekomendowane artykuły

1. Specjalistyczne dwukierunkowe przetwornice mocy pozwalają połączyć układy 12V i 48V w instalacjach samochodowych
2. Wprowadzanie pojazdów elektrycznych do inteligentnej sieci w celu uzyskania stabilności i bezpieczeństwa