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華人運通 | 電動汽車“驅(qū)動-充電”一體化拓撲研究

2022-02-03 21:16:50·  來源：電動學堂  作者：紀竹童  
　
文章來源：華人運通（江蘇）技術(shù)有限公司上海分公司1概述隨著電動汽車的普及，人們對電動汽車的充電速率提出了更高的要求。目前電動汽車普遍采用400V電壓系統(tǒng)，
文章來源：華人運通（江蘇）技術(shù)有限公司上海分公司
1概述
隨著電動汽車的普及，人們對電動汽車的充電速率提出了更高的要求。目前電動汽車普遍采用400V電壓系統(tǒng)，對于一臺續(xù)航超過600km的電動汽車，其電池容量超過90kwh，使用直流快充樁進行直流充電時，SOC從10%充到90%需要1小時，無法滿足用戶快速充電的需求。電池充電速率目前主要受到充電樁和充電槍的充電電流的制約。充電電流大意味著線路損耗增大，電流超過350A后充電槍線路需要增加水冷散熱，進一步加大充電線路的操作難度，充電效率降低。而提升電池電壓可以在保持充電電流不變的情況下，提升電動汽車的充電速率，降低充電損耗。
目前各大整車廠已經(jīng)展開了800V電驅(qū)動系統(tǒng)的研究，以減少電動汽車充電時間，提升用戶體驗。但是充電樁作為基礎設施建設，其應用和普及存在滯后性，目前的充電樁電壓等級以400V為主。在電動汽車電壓從400V向800V過渡的過程中，需要解決800V系統(tǒng)對400V充電樁（以下稱“低壓樁”）的兼容性[1]，也要兼顧高壓系統(tǒng)的成本，同時還要考慮零件裝配空間、車重、整車安全性等工程問題，給電驅(qū)動系統(tǒng)帶來了很大挑戰(zhàn)。
2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外整車廠開發(fā)的800V高壓電驅(qū)動系統(tǒng)，普遍采用的高壓拓撲如圖1所示：
高壓系統(tǒng)拓撲中通常包含電池、車載充電機(OBC)、高壓轉(zhuǎn)12V直流變換器(DCDC)、電機控制器、電機、PTC、400V轉(zhuǎn)800V升壓充電模塊（Boost模塊）等零部件，除電池外的其它零部件并聯(lián)在高壓直流母線上。
在電驅(qū)動模式下，電機控制器將電池提供的直流電轉(zhuǎn)化為頻率和幅值可變的三相交流電，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
在充電模式下，不同電壓等級的充裝樁通過充電槍連接高壓系統(tǒng)中對應的充電口。接800V直流充電樁（以下稱“高壓樁”）時，通過充電槍直接與電池內(nèi)的電池管理系統(tǒng)（BMS）相連，實現(xiàn)800V充電，最大瞬時充電功率超過300kW。充電樁輸出為400V直流時，充電槍連接到Boost模塊接口；該模塊通過Boost電路，將400V直流升壓到800V直流后，給電池充電。
以保時捷為例，保時捷Taycan較早的采用了800V高壓系統(tǒng)，為了同時兼容400V充電樁，Taycan除了標配800V直流充電系統(tǒng)，還增加了400V到800V的Boost(升壓)充電模塊。作為一項可選配置，該方案既擠占了車身空間，又增加了高壓系統(tǒng)的開發(fā)成本和硬件成本。
3電驅(qū)動系統(tǒng)升壓拓撲
本文提出一種電驅(qū)動系統(tǒng)的“驅(qū)動-充電”一體化拓撲，將Boost電路與電驅(qū)動系統(tǒng)拓撲相結(jié)合：通過電動汽車上已有的功率器件，實現(xiàn)Boost電路中的整流電路；利用電機定子電感進行濾波。該拓撲只增加少量電子器件，即可在電驅(qū)動系統(tǒng)基礎上增加直流升壓充電功能，達到簡化高壓系統(tǒng)拓撲和降低成本的目的。
3.1Boost電路拓撲及工作原理
BOOST升壓電路又稱直流斬波電路，其工作原理是基于電感的電流不能突變這一特性，利用開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持直流的穩(wěn)定輸出。Boost電路拓撲已有較多文獻進行了詳細研究，本文不再贅述。
3.2電驅(qū)動系統(tǒng)拓撲及工作原理
電驅(qū)動系統(tǒng)由電機控制器、電機和減速箱組成。電機控制器的作用是將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸入到電機側(cè)，控制電機旋轉(zhuǎn)、啟停并對電機進行保護。電機控制器主要由直流母線電容、三相橋式逆變電路、控制電路等部分組成。其中三相橋式逆變電路由6組IGBT組成，通過接收控制電路發(fā)出的PWM控制信號并執(zhí)行開關(guān)動作，實現(xiàn)逆變過程。電動汽車多數(shù)使用永磁同步電機或交流異步電機，定子繞組的接線方式通常使用星形連接，為研究方便，將電機每相繞組模型等效為電感和電阻串聯(lián)。由于電機控制原理已有較多文獻進行了詳細研究，本文不再贅述。
3.3“驅(qū)動-充電”一體化拓撲及工作原理
通過對比Boost升壓電路拓撲圖和電驅(qū)動系統(tǒng)拓撲可以看出，Boost升壓電路拓撲中所需的電感、功率開關(guān)、二極管、電容元件，都包含在電驅(qū)動系統(tǒng)拓撲中。只需要增加兩個開關(guān)和少量無源器件，調(diào)整功率器件的開關(guān)策略，電驅(qū)動系統(tǒng)就可以實現(xiàn)充電功能。改造后的拓撲如圖2所示：
在電驅(qū)動系統(tǒng)基礎上，增加一個保險絲和兩個開關(guān)，即可實現(xiàn)Boost升壓功能。電驅(qū)動系統(tǒng)的高壓引出線P接電池正極，引出線N接電池負極；引出線Pile+接低壓樁正極，Pile-接低壓樁負極。工作過程如下：第一步，關(guān)閉K2，K1開關(guān)。第二步，給電感充電；該拓撲可使用三相定子電感中的一相導通或多相同時導通實現(xiàn)Boost電路。以L1一相電感為例，控制V4的IGBT導通，其他橋臂斷開，低壓樁與電感形成回路，給L1電感充電;此時上三管的續(xù)流二極管處于截止狀態(tài)，直流鏈支撐電容給電池充電。第三步，控制V4斷開，原回路中的電流通過V1的反并聯(lián)二極管進行續(xù)流，充電樁、L1、V1反并聯(lián)二極管、電池形成新的回路，由于電路中電流減小，電感兩端電壓反向，此時電池兩端電壓等于電感電壓加低壓樁電壓。重復步驟二和三，實現(xiàn)對電池進行升壓充電，直到電池電量充滿。
3.4電路參數(shù)匹配
假設一套150kW電驅(qū)動系統(tǒng)，其輸入?yún)?shù)如表1，計算該系統(tǒng)的充電功率。
根據(jù)Boost變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比D的變化范圍。
帶入表1參數(shù)，計算得D=0.5；其中Vin為樁輸入電壓，V0為輸出到電池兩端電壓。
為了保持電路工作的穩(wěn)定性與可靠性，流過電感的峰值電流通常不大于功率器件額定電流的1/2，同時避免因為電流過大造成電感飽和。
電感輸出電流可以通過公式（2）確定
計算得I0=83A；對于一套峰值功率為150kW的電驅(qū)動系統(tǒng)，其直流側(cè)額定電流超過100A，交流側(cè)的額定電流設計超過110A，因此I0未超過功率器件的通流能力，可以承受超過60分鐘的充電時間。
輸出功率計算依據(jù)公式（3）
計算得Pout=66.3kW，使用400V充電樁，利用“驅(qū)動-充電”一體化系統(tǒng)進行直流充電，充電功率可以達到66.4kW，相比主流的11kW家用交流樁充電時間縮短到1/6，滿足用戶日常充電需求。
4結(jié)論
在800V充電樁投放滯后的過渡階段，該拓撲通過在現(xiàn)有電驅(qū)動系統(tǒng)基礎上增加少量元器件，使800V電驅(qū)系統(tǒng)具備升壓充電功能，兼容400V直流充電樁，充電速率遠高于常見的11kW家用充電樁。該拓撲以較低的成本解決了800V高壓系統(tǒng)對低壓充電樁的兼容性，也可以取代功率較低的車載充電機，配合400V直流充電樁，進一步節(jié)省整車空間和成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。
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