ใช้ตัวแปลงพลังงานแบบสองทิศทางและ PFC เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ HEV BEV และ Electric Grid
Contributed By DigiKey's North American Editors
2020-09-29
ผู้ออกแบบระบบไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV) และรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEVs) อยู่ภายใต้แรงกดดันอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในขณะที่ลดต้นทุน ในขณะที่การเปลี่ยนไปใช้รางไฟคู่ 12 โวลต์และ 48 โวลต์ได้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการลดน้ำหนักสายไฟของแชสซี นักออกแบบต้องการโซลูชันเฉพาะเพื่อจัดการแหล่งจ่ายไฟทั้งสองได้ดีขึ้นเพื่อให้รองรับซึ่งกันและกันได้ดีขึ้นในขณะเดียวกันก็ช่วยให้ยานพาหนะสามารถรองรับการใช้งาน vehicle-to-grid (V2G) สองทิศทางได้
ความต้องการนี้นำไปสู่การพัฒนาตัวแปลงแบบสองทิศทางและระบบแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบสองทิศทาง (PFC) ที่ช่วยให้นักออกแบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการออกแบบรถยนต์ไฟฟ้า (EV) แบบคู่ 12 โวลต์/48 โวลต์และยังเชื่อมต่อกับกริดสำหรับสองทาง กระแสไฟ
บทความนี้อธิบายและทบทวนประโยชน์ของการแปลงพลังงานแบบสองทิศทางในระบบยานยนต์และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง จึงได้นำเสนอโซลูชันจากผู้ผลิตเช่น Texas Instruments, Analog Devices และ Infineon Technologies และแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้ตัวแปลงกำลังสองทิศทางได้อย่างไร
การแปลงพลังงานแบบสองทิศทางคืออะไร?
ใน HEV ที่มีสถาปัตยกรรม 12 โวลต์/48 โวลต์แรงดันไฟฟ้าสองทิศทางแหล่งจ่ายไฟแบบสองทิศทางจะเชื่อมโยงระบบ 12 โวลต์และ 48 โวลต์เพื่อให้แบตเตอรี่อีกก้อนหนึ่งสามารถชาร์จใหม่ได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้แบตเตอรี่แต่ละก้อนสามารถจ่ายพลังงานเพิ่มเติมสำหรับรางแรงดันไฟฟ้าในกรณีที่มีสภาวะไฟเกิน (รูปที่ 1) เป็นผลให้นักออกแบบสามารถใช้แบตเตอรี่ที่มีขนาดเล็กลงสำหรับแต่ละก้อนทำให้มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นและต้นทุนต่ำลง
รูปที่ 1: แหล่งจ่ายไฟแบบสองทิศทางที่เป็นหัวใจของสถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้าคู่จะเชื่อมโยงระบบ 12 โวลต์และ 48 โวลต์เพื่อให้แบตเตอรี่แต่ละก้อนสามารถชาร์จใหม่ได้โดยอีกเครื่องหนึ่งและให้พลังงานเพิ่มเติมในกรณีที่อยู่ในสภาวะไฟเกิน (แหล่งรูปภาพ: Texas Instruments)
ใน BEV นักออกแบบสามารถใช้ PFC แบบสองทิศทางเพื่อรองรับการชาร์จแบตเตอรี่แบบสองทิศทางรวมถึงการทำงานของ V2G ระบบ V2G รองรับประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในหลายวิธี:
- สามารถคืนพลังงานให้กับกริดในช่วงที่มีความต้องการสูง
- สามารถลดอัตราการชาร์จแบตเตอรี่ได้ตามความจำเป็นเพื่อช่วยให้โหลดบนกริดได้สมดุล
- จะช่วยให้ยานพาหนะเพื่อใช้ในการเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานทดแทน
ในขณะที่ระบบแรงดันไฟฟ้าคู่ใน HEV มีอยู่ในตัวรถและเพิ่มการประหยัดน้ำมัน แต่เครื่องชาร์จแบบสองทิศทางในระบบ V2G ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เกิดประโยชน์ด้านต้นทุนที่กว้างขึ้นนอกเหนือจากการปรับปรุงด้านการประหยัดเชื้อเพลิงและต้องเชื่อมต่อกับโลกภายนอก
การใช้งาน V2G ต้องใช้เทคโนโลยีการสื่อสารและอัลกอริทึมเพื่อตรวจจับสถานะกริดรวมถึงความสามารถในการเชื่อมต่อกับโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: นอกเหนือจากการแปลงพลังงานแบบสองทิศทางแล้วระบบ V2G ยังต้องรวมมาตรฐานการเชื่อมต่อและการสื่อสารต่าง ๆ (แหล่งรูปภาพ: Honda)
โครงสร้างพื้นฐาน V2G ที่เกิดขึ้นทำให้เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจรวมถึงความสามารถในการจ่ายพลังงานให้กับกริดในช่วงที่มีความต้องการสูงสุด (อาจสร้างรายได้ให้กับเจ้าของรถ) และการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ใหม่ในช่วงที่มีความต้องการไฟฟ้าต่ำ (ลดต้นทุนการชาร์จรถยนต์)
มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานแบบสองทิศทาง
ข้อกำหนด LV148/VDA320 กำหนดข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเงื่อนไขการทดสอบสำหรับการรวมบัส 48 โวลต์และบัส 12 โวลต์ในระบบยานยนต์แรงดันไฟฟ้าคู่ (รูปที่ 3) LV148 ได้รับการนำมาใช้โดยผู้ผลิตรถยนต์สัญชาติเยอรมัน Audi, BMW, Daimler, Porsche และ Volkswagen และใช้กับรถยนต์สันดาปภายในทั่วไปรวมถึง HEV ในขณะที่เขียนนี้มาตรฐาน ISO 21780 สำหรับ “ยานพาหนะใช้ถนน - แรงดันไฟฟ้า 48 V - ข้อกำหนดทางไฟฟ้าและการทดสอบ” อยู่ระหว่างการพัฒนา
รูปที่ 3: ข้อกำหนด LV148 / VDA320 กำหนดข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเงื่อนไขการทดสอบสำหรับการรวมบัส 48 โวลต์และบัส 12 โวลต์ในระบบยานยนต์แรงดันไฟฟ้าคู่ แสดงเป็นข้อมูลจำเพาะของบัส 48 โวลต์ (แหล่งรูปภาพ: Texas Instruments)
มีโปรโตคอลการสื่อสารหลายอย่างที่สามารถใช้กับระบบ V2G ได้แก่:
- ISO/IEC 15118: กำหนดอินเทอร์เฟซการสื่อสาร V2G สำหรับการชาร์จ / การปล่อยยานพาหนะไฟฟ้าแบบสองทิศทาง โดยใช้ข้อกำหนด IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) บรอดแบนด์ Power Line Communication (PLC) เป็นโปรโตคอลที่ดีที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพและมีอัตราข้อมูลสูง HPGP ทำงานที่ความถี่ระหว่าง 2 MHz ถึง 30 MHz ช่วยให้ระบบสามารถแยกแยะข้อมูลที่ถูกต้องบนสายที่เชื่อมต่อกับสัญญาณรบกวนจากแหล่งอื่นที่อยู่ใกล้เคียง
- IEC 61850: กำหนดโปรโตคอลการสื่อสารสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะที่สถานีไฟฟ้าย่อยที่สามารถช่วยจัดการการไหลของพลังงานระหว่างแหล่งพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนและอุปกรณ์จัดหารถยนต์ไฟฟ้า (EVSE) เช่นเครื่องชาร์จ
รูปที่ 4: IEC 61850 กำหนดกระแสไฟและข้อมูลสำหรับระบบ V2G และใช้ข้อกำหนด IEEE P1901.2 HPGP PLC เพื่อให้แน่ใจว่าการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพและอัตราข้อมูลสูง (แหล่งรูปภาพ: IBIS)
ตัวแปลง DC-DC แบบหลายทิศทางแบบสองทิศทางสำหรับระบบ 12 โวลต์ / 48 โวลต์
ระดับพลังงานสูงของตัวแปลง DC-DC แบบสองทิศทาง 12 โวลต์ / 48 โวลต์มักจะส่งผลให้เกิดการใช้โทโพโลยีแบบหลายเฟส การออกแบบหลายเฟสช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโดยรวมโดยการทำให้เฟสลดลงลดจำนวนเฟสที่ใช้งานอยู่เมื่อความต้องการพลังงานลดลง การออกแบบหลายเฟสยังช่วยให้สามารถใช้ส่วนประกอบตัวกรองที่มีขนาดเล็กลงบนเอาต์พุตของแต่ละเฟส การใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานชั่วคราวของโหลด สุดท้ายการใช้งานเฟสด้วยการแทรกสลับที่เหมาะสมส่งผลให้มีการกระเพื่อมของเอาต์พุตต่ำลง
LM5170-Q1จาก Texas Instruments เป็นตัวควบคุมกระแสสองทิศทางประสิทธิภาพสูงแบบหลายทิศทางที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดการการถ่ายโอนกระแสระหว่างส่วน 48 โวลต์และส่วน 12 โวลต์ของระบบแบตเตอรี่คู่ในรถยนต์ (รูปที่ 5) มันรวมฟังก์ชันอะนาล็อกที่จำเป็นซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบตัวแปลงกำลังสูงโดยมีส่วนประกอบภายนอกจำนวนน้อยที่สุด การทำงานแบบขนานหลายเฟสทำได้โดยการเชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์ LM5170-Q1 สองตัวสำหรับการทำงานสามหรือสี่เฟสหรือโดยการซิงโครไนซ์ตัวควบคุมหลายตัวกับนาฬิกาที่เลื่อนเฟสสำหรับจำนวนเฟสที่สูงขึ้น
รูปที่ 5: ตัวควบคุมกระแสสองทิศทางหลายทิศทาง LM5170-Q1 จัดการการถ่ายโอนกระแสระหว่างส่วน 48 โวลต์และ 12 โวลต์ของระบบแบตเตอรี่คู่ในรถยนต์ ลูกศรสีแดงจะเน้นการไหลของกระแสแบบสองทิศทาง (แหล่งรูปภาพ: Texas Instruments)
LM5170-Q1 ประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์รับความรู้สึกกระแสต่างช่องสัญญาณคู่และจอภาพกระแสช่องเฉพาะเพื่อให้ได้ความแม่นยำในปัจจุบันโดยทั่วไปที่ 1% ตัวขับเกตครึ่งสะพานขนาด 5 แอมแปร์ (A) ที่แข็งแกร่งสามารถขับสวิตช์ MOSFET แบบขนานที่ให้กำลัง 500 วัตต์หรือมากกว่าต่อช่องสัญญาณ โหมดจำลองไดโอดของวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสจะป้องกันกระแสลบ แต่ยังเปิดใช้งานโหมดไม่ต่อเนื่องเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้นเมื่อโหลดเบา คุณสมบัติการป้องกันที่หลากหลายรวมถึงการ จำกัด กระแสตามวงจรการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินที่พอร์ตทั้งแรงดันสูงและแรงดันไฟฟ้าต่ำการตรวจจับความล้มเหลวของ MOSFET และการป้องกันอุณหภูมิสูงเกินไป คอนโทรลเลอร์นี้มีความปลอดภัยในการทำงานของยานยนต์
Texas Instruments นำเสนอ LM5170EVM-BIDIRโมดูลทดสอบ เพื่อให้วิศวกรสามารถทดสอบ LM5170-Q1 ในระบบแบตเตอรี่คู่ 12 โวลต์/48 โวลต์ สองเฟสทำงานในการทำงานแบบสอดประสาน180˚และแบ่งปันกระแส DC สูงสุดเท่า ๆ กันถึง 60 A โมดูลการประเมินนี้ยังรวมถึงจัมเปอร์ต่างๆเพื่อให้ยืดหยุ่นและสะดวกในการกำหนดค่าวงจรให้เหมาะกับกรณีการใช้งานต่างๆ ควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และบัคทิศทางเดียวกำลังสูงหรือตัวแปลงบูสต์
มาสเตอร์/สเลฟ สถาปัตยกรรมมัลติสำหรับแปลงแบบสองทิศทาง
Analog Devices นำเสนอ Lt8708 ตัวควบคุมตัวควบคุมการสลับ buck-boost สำหรับใช้ในตัวแปลงไฟฟ้าแบบสองทิศทาง 12 โวลต์/48 โวลต์ LT8708 เป็นคอนโทรลเลอร์ DC-DC บูสต์แบบซิงโครนัส 4 สวิตช์แบบซิงโครนัส 80 โวลต์ที่มีความสามารถแบบสองทิศทางที่สามารถรองรับกระแสโหลดได้สูงถึงประมาณ 30 A สำหรับความต้องการกระแสไฟที่สูงขึ้นคอนโทรลเลอร์หลัก LT8708 สามารถใช้ร่วมกับสเลฟชิปอย่างน้อยหนึ่งตัวได้ การใช้สถาปัตยกรรมต้นแบบ/ทาสสามารถลดต้นทุนการแก้ปัญหาในการออกแบบหลายเฟสเนื่องจาก IC หลักตัวเดียว (ราคาแพงกว่า) สามารถควบคุมไอซีสเลฟหลายตัว (ต้นทุนต่ำกว่า) ได้
เมื่อสเลฟเชื่อมต่อกับมาสเตอร์พวกมันจะเพิ่มพลังและความสามารถปัจจุบันของระบบตามสัดส่วน อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือทาสต้องมีโหมดการนำไฟฟ้าเช่นเดียวกับ LT8708 เพื่อให้สามารถนำกระแสและพลังงานไปในทิศทางเดียวกับต้นแบบได้ ต้นแบบควบคุมขีด จำกัด กระแสและแรงดันไฟฟ้าโดยรวมสำหรับระบบมัลติเฟส LT8708 และสเลฟจะปฏิบัติตามขีด จำกัด เหล่านี้
สเลฟสามารถขนานกับ LT8708 ได้อย่างง่ายดายโดยเชื่อมต่อสัญญาณสี่สัญญาณเข้าด้วยกัน (รูปที่ 6) ขีด จำกัด กระแสเพิ่มเติมสองข้อ (กระแส VIN ไปข้างหน้าและกระแส VIN ย้อนกลับ) มีอยู่ในแต่ละสเลฟที่สามารถตั้งค่าได้อย่างอิสระ
รูปที่ 6: ตัวแปลง DC-DC สามเฟสที่ใช้ LT8708 (มาสเตอร์) และไอซีสเลฟจะเน้นการเชื่อมต่อระหว่างสัญญาณทั้งสี่ (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)
DC2719A บอร์ดสาธิตจาก Analog Devices ใช้งาน LT8708 รวมกับสเลฟ (LT8708-1) เพื่อส่งกระแส 40 A บอร์ดสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดไปข้างหน้าและย้อนกลับ ตัวควบคุมมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันขาออกในตัวและชุดควบคุมกระแสอินพุตและเอาต์พุตสองชุดที่ควบคุมการไหลของกระแสในทิศทางไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ รวมคุณสมบัติที่ช่วยลดความซับซ้อนของการแปลงพลังงานแบบสองทิศทางในระบบสำรองแบตเตอรี่/ตัวเก็บประจุและแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่อาจต้องมีการควบคุม VIN, VOUT, IIN และ/หรือ IOUT
การแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบสองทิศทางสำหรับ BEVs แบบโต้ตอบแบบกริด
สำหรับนักออกแบบ BEVs แบบโต้ตอบแบบกริด Infineon ขอเสนอบอร์ดทดสอบ EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 ซึ่งเป็นตัวแก้ไขตัวประกอบกำลังไฟฟ้าโทเทม-โพล 3300 วัตต์ที่มีความสามารถในการจ่ายไฟแบบสองทิศทาง (รูปที่ 7) บอร์ด PFC โทเทม-โพลแบบไร้สะพานนี้มีไว้สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง (ประมาณ 99%) และความหนาแน่นของพลังงานสูง (72 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว)
รูปที่ 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 เป็นบอร์ด PFC โทเท็ม-โพลแบบไร้สะพาน 3300 W (แหล่งรูปภาพ: Infineon)
โทเทม-โพลโทโพโลยีในแอปพลิเคชัน PFC ที่มีการดำเนินการต่อเนื่องโหมดการนำไฟฟ้า (CCM) ทำได้โดยใช้เซมิคอนดักเตอร์แถบกว้าง ในกรณีนี้ Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET ในแพ็คเกจสี่พิน TO-247 จะใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเป็น 99% ที่โหลดครึ่งหนึ่ง คอนเวอร์เตอร์ทำงานเฉพาะที่แรงดันไฟฟ้าสายสูง (ขั้นต่ำ 176 โวลต์ rms เล็กน้อย 230 โวลต์ rms ระบุ) ใน CCM ที่มีความถี่การสลับ 65 กิโลเฮิรตซ์ (kHz)
โทเทม-โพลแบบสองทิศทาง (PFC/AC-DC และอินเวอร์เตอร์/AC-DC) 3300 วัตต์นี้เป็นโซลูชันระบบที่พัฒนาด้วยเซมิคอนดักเตอร์กำลัง Infineon รวมถึงไดรเวอร์และคอนโทรลเลอร์ Infineon อุปกรณ์ Infineon ที่ใช้ในการออกแบบประกอบด้วย:
- 64 มิลลิโอห์ม (mΩ) 650 โวลต์ CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1) ในแพ็คเกจพินสี่ขา TO-247 เป็นสวิตช์ความถี่สูง PFC แบบโทเทม-โพล
- 17 mΩ 600 โวลต์ CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7) ในแพ็คเกจ TO-247 สำหรับเส้นทางส่งคืน PFC แบบโทเทม-โพล (สะพานความถี่ต่ำ)
- 2EDF7275F ตัวขับเกตแยก (EiceDRIVER)
- ICE5QSAG QR flyback controller และ 950 โวลต์ CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1 ) สำหรับอุปทานเสริมอคติ
- XMC1404Q048X0200AAXUMA1 ไมโครคอนโทรลเลอร์จาก Infineon สำหรับการใช้งานการควบคุม PFC
โทเทมโพลที่ใช้ในบอร์ด EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 ทำงานใน CCM ทั้งในโหมด rectifier (PFC) และอินเวอร์เตอร์โดยใช้การควบคุมแบบดิจิทัลเต็มรูปแบบโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1
สรุป
ด้วยนักออกแบบมองหาการปรับปรุงประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์/48 โวลต์คู่จึงกลายเป็นโทโพโลยีที่เลือกใช้สำหรับ HEVs และ BEVs สิ่งนี้ได้สร้างความจำเป็นในการจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน ตัวแปลง DC-DC แบบสองทิศทางและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ได้เกิดขึ้นเพื่อให้ระบบ 12 โวลต์และ 48 โวลต์สามารถรองรับซึ่งกันและกันในกรณีที่จำเป็นต้องชาร์จใหม่หรือในกรณีที่อยู่ในสภาวะโอเวอร์โหลด
นอกจากนี้ในกรณีของ BEVs, PFCสเตจแบบสองทิศทางรองรับการไหลของพลังงานแบบสองทิศทางระหว่างแบตเตอรี่และกริดยูทิลิตี้กระแสระหว่างแบตเตอรี่และกริดยูทิลิตี้ การเชื่อมต่อ V2G ที่เกิดขึ้นทำให้เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจนอกเหนือจากการปรับปรุงการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงรวมถึงความสามารถในการจ่ายพลังงานให้กับกริดในช่วงที่มีความต้องการสูงสุดและการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ใหม่ในช่วงที่มีความต้องการไฟฟ้าต่ำ
บทความแนะนำ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.