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EV 無變壓器快速充電解決方案

發(fā)布時間:2022-12-16 責任編輯:lina

【導讀】在插電式電動汽車 (PEV) 系統(tǒng)中,充電器可分為三個級別: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 級系統(tǒng)中使用車載充電器。


在插電式電動汽車 (PEV) 系統(tǒng)中,充電器可分為三個級別: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 級系統(tǒng)中使用車載充電器。


本文將為功率高達 22 kW 的非車載非隔離式直流快速充電器提出兩種拓撲結(jié)構(gòu)。該充電器的典型模塊方案包括一個 AC/DC 整流器級,然后是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AC/DC 級通常使用單相或三相應用來實現(xiàn),具體取決于電網(wǎng)要求。三相選項提供了為電網(wǎng)接口和 DC/DC 級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此問題的一個常見解決方案是引入隔離式變壓器(電源轉(zhuǎn)換級)。然而,與非隔離式拓撲相比,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 標準,電動汽車充電器不強制使用變壓器,4如果電動汽車系統(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?,建議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際 (IEC) 和美國(IEEE、NEMA)標準。對于 IEC 標準,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別 3 要求和設備的額定電流,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,二級雙向非隔離直流快速充電器的設計一直基于圖2所示的配置選項。


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


拓撲結(jié)構(gòu)


針對所提出的充電解決方案引入了單相和三相兩種拓撲結(jié)構(gòu)。


對于單相拓撲,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)這個等式,在給定功率要求和電網(wǎng)電壓的情況下,可以計算出所需的電流。


EV 無變壓器快速充電解決方案

圖 3:單相拓撲的相電流計算


相應的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。


兩個開關(guān)臂在 AC/DC 側(cè)組合形成一個全橋整流器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器只需一個開關(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撲結(jié)構(gòu)


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


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圖 5:三相拓撲的功率計算


在圖 6 中,顯示了相關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)。三個開關(guān)臂構(gòu)成三相整流器的交流/直流側(cè)。三個開關(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撲結(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。


硬件設計


實驗硬件由以下部分組成:


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


組件板,基于九個三相電容器(B32774D8126K000,12 μF)、三個電壓傳感器(RP1215D)、三個電流傳感器(CKSR 25-NP)和三個功率繼電器(T9SV1K15-12)


三相平面電感器,專為非隔離式快速充電器應用而設計


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。


保護裝置:為了自動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)和接口之間流動的交流電流發(fā)生過電流。如果電網(wǎng)漏電超過閾值,RCD 會檢測到并斷開電網(wǎng)與逆變器的連接。


AC/DC 側(cè)的對稱電路示意圖如圖 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。


EV 無變壓器快速充電解決方案

圖 7:電網(wǎng)側(cè)三相充電機示意圖


除了硬件保護外,軟件保護用于在出現(xiàn)意外情況時禁用充電器。


建議的拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點


所提出的兩種非隔離拓撲都是無變壓器的,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 450 × 400 × 200-mm 的封裝中,而估計的 0.6 kW/L 功率密度顯著高于目前市場上競爭的快速充電設備。


與獨立充電器相比,所提出的拓撲通過消除變壓器造成的損耗來提高效率。圖 8 顯示了 DC/DC 轉(zhuǎn)換級的評估效率。


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圖 8:經(jīng)測試的 DC/DC 級效率


峰值效率達到99.3%,而在額定功率為22kW時,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,因為網(wǎng)側(cè)電容器的公共點連接到直流母線。泄漏電流將被限制在較低水平并滿足標準要求。


(出處:powerelectronicsnews)


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