電動(dòng)汽車“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)溲芯?/h1>
2021-06-25 06:44:26紀(jì)竹童
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年15期
紀(jì)竹童
(華人運(yùn)通(江蘇)技術(shù)有限公司上海分公司,上海200000)
1 概述
隨著電動(dòng)汽車的普及,人們對(duì)電動(dòng)汽車的充電速率提出了更高的要求。目前電動(dòng)汽車普遍采用400V 電壓系統(tǒng),對(duì)于一臺(tái)續(xù)航超過(guò)600km 的電動(dòng)汽車,其電池容量超過(guò)90kwh,使用直流快充樁進(jìn)行直流充電時(shí),SOC 從10%充到90%需要1 小時(shí),無(wú)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(guò)350A 后充電槍線路需要增加水冷散熱,進(jìn)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(dòng)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(kāi)了800V 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究,以減少電動(dòng)汽車充電時(shí)間,提升用戶體驗(yàn)。但是充電樁作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),其應(yīng)用和普及存在滯后性,目前的充電樁電壓等級(jí)以400V 為主。在電動(dòng)汽車電壓從400V 向800V 過(guò)渡的過(guò)程中,需要解決800V 系統(tǒng)對(duì)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(shí)還要考慮零件裝配空間、車重、整車安全性等工程問(wèn)題,給電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)外整車廠開(kāi)發(fā)的800V 高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),普遍采用的高壓拓?fù)淙鐖D1 所示:
圖1 800V 主流電驅(qū)動(dòng)高壓拓?fù)?/p>
高壓系統(tǒng)拓?fù)渲型ǔ０姵?、車載充電機(jī)(OBC)、高壓轉(zhuǎn)12V 直流變換器(DCDC)、電機(jī)控制器、電機(jī)、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(dòng)模式下,電機(jī)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(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
在充電模式下,不同電壓等級(jí)的充裝樁通過(guò)充電槍連接高壓系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的充電口。接800V 直流充電樁(以下稱“高壓樁”)時(shí),通過(guò)充電槍直接與電池內(nèi)的電池管理系統(tǒng)(BMS)相連,實(shí)現(xiàn)800V 充電,最大瞬時(shí)充電功率超過(guò)300kW。充電樁輸出為400V 直流時(shí),充電槍連接到Boost 模塊接口；該模塊通過(guò)Boost電路,將400V 直流升壓到800V 直流后,給電池充電。
以保時(shí)捷為例,保時(shí)捷Taycan 較早的采用了800V 高壓系統(tǒng),為了同時(shí)兼容400V 充電樁,Taycan 除了標(biāo)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(xiàng)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(kāi)發(fā)成本和硬件成本。
3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓拓?fù)?/h2>
本文提出一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)?將Boost 電路與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)湎嘟Y(jié)合:通過(guò)電動(dòng)汽車上已有的功率器件,實(shí)現(xiàn)Boost 電路中的整流電路；利用電機(jī)定子電感進(jìn)行濾波。該拓?fù)渲辉黾由倭侩娮悠骷?即可在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加直流升壓充電功能,達(dá)到簡(jiǎn)化高壓系統(tǒng)拓?fù)浜徒档统杀镜哪康摹?/p>
3.1 Boost 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
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(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持直流的穩(wěn)定輸出[2]。Boost 電路拓?fù)湟延休^多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究,本文不再贅述。
3.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)控制器、電機(jī)和減速箱組成。電機(jī)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(jī)側(cè),控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)、啟停并對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。電機(jī)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(guò)接收控制電路發(fā)出的PWM控制信號(hào)并執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程[3]。電動(dòng)汽車多數(shù)使用永磁同步電機(jī)或交流異步電機(jī),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(jī)每相繞組模型等效為電感和電阻串聯(lián)。由于電機(jī)控制原理已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究,本文不再贅述。
3.3“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
通過(guò)對(duì)比Boost 升壓電路拓?fù)鋱D和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)淇梢钥闯?Boost 升壓電路拓?fù)渲兴璧碾姼?、功率開(kāi)關(guān)、二極管、電容元件,都包含在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)渲小Ｖ恍枰黾觾蓚€(gè)開(kāi)關(guān)和少量無(wú)源器件,調(diào)整功率器件的開(kāi)關(guān)策略,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)充電功能。改造后的拓?fù)淙鐖D2 所示:
圖2“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)?/p>
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增加一個(gè)保險(xiǎn)絲和兩個(gè)開(kāi)關(guān),即可實(shí)現(xiàn)Boost 升壓功能。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓引出線P 接電池正極,引出線N 接電池負(fù)極；引出線Pile+接低壓樁正極,Pile- 接低壓樁負(fù)極。工作過(guò)程如下:第一步,關(guān)閉K2,K1 開(kāi)關(guān)。第二步,給電感充電；該拓?fù)淇墒褂萌喽ㄗ与姼兄械囊幌鄬?dǎo)通或多相同時(shí)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)Boost 電路。以L1 一相電感為例,控制V4 的IGBT 導(dǎo)通,其他橋臂斷開(kāi),低壓樁與電感形成回路,給L1 電感充電;此時(shí)上三管的續(xù)流二極管處于截止?fàn)顟B(tài),直流鏈支撐電容給電池充電。第三步,控制V4 斷開(kāi),原回路中的電流通過(guò)V1 的反并聯(lián)二極管進(jìn)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(shí)電池兩端電壓等于電感電壓加低壓樁電壓[4]。重復(fù)步驟二和三,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行升壓充電,直到電池電量充滿。
3.4 電路參數(shù)匹配
假設(shè)一套150kW 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其輸入?yún)?shù)如表1,計(jì)算該系統(tǒng)的充電功率。
表1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)
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(jì)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(guò)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(shí)避免因?yàn)殡娏鬟^(guò)大造成電感飽和。
電感輸出電流可以通過(guò)公式(2)確定[5]
計(jì)算得I0=83A；對(duì)于一套峰值功率為150kW 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其直流側(cè)額定電流超過(guò)100A,交流側(cè)的額定電流設(shè)計(jì)超過(guò)110A,因此I0未超過(guò)功率器件的通流能力,可以承受超過(guò)60 分鐘的充電時(shí)間。
輸出功率計(jì)算依據(jù)公式(3)
計(jì)算得Pout=66.3kW,使用400V充電樁,利用“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化系統(tǒng)進(jìn)行直流充電,充電功率可以達(dá)到66.4kW,相比主流的11kW 家用交流樁充電時(shí)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(guò)渡階段,該拓?fù)渫ㄟ^(guò)在現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)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(yuǎn)高于常見(jiàn)的11kW 家用充電樁。該拓?fù)湟暂^低的成本解決了800V 高壓系統(tǒng)對(duì)低壓充電樁的兼容性,也可以取代功率較低的車載充電機(jī),配合400V 直流充電樁,進(jìn)一步節(jié)省整車空間和成本,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
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目前國(guó)內(nèi)外整車廠開(kāi)發(fā)的800V 高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),普遍采用的高壓拓?fù)淙鐖D1 所示:
圖1 800V 主流電驅(qū)動(dòng)高壓拓?fù)?/p>
高壓系統(tǒng)拓?fù)渲型ǔ０姵?、車載充電機(jī)(OBC)、高壓轉(zhuǎn)12V 直流變換器(DCDC)、電機(jī)控制器、電機(jī)、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(dòng)模式下,電機(jī)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(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
在充電模式下,不同電壓等級(jí)的充裝樁通過(guò)充電槍連接高壓系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的充電口。接800V 直流充電樁(以下稱“高壓樁”)時(shí),通過(guò)充電槍直接與電池內(nèi)的電池管理系統(tǒng)(BMS)相連,實(shí)現(xiàn)800V 充電,最大瞬時(shí)充電功率超過(guò)300kW。充電樁輸出為400V 直流時(shí),充電槍連接到Boost 模塊接口；該模塊通過(guò)Boost電路,將400V 直流升壓到800V 直流后,給電池充電。
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3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升壓拓?fù)?/h2>
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3.1 Boost 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
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(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持直流的穩(wěn)定輸出[2]。Boost 電路拓?fù)湟延休^多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究,本文不再贅述。
3.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)控制器、電機(jī)和減速箱組成。電機(jī)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(jī)側(cè),控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)、啟停并對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。電機(jī)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(guò)接收控制電路發(fā)出的PWM控制信號(hào)并執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程[3]。電動(dòng)汽車多數(shù)使用永磁同步電機(jī)或交流異步電機(jī),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(jī)每相繞組模型等效為電感和電阻串聯(lián)。由于電機(jī)控制原理已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究,本文不再贅述。
3.3“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>
通過(guò)對(duì)比Boost 升壓電路拓?fù)鋱D和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)淇梢钥闯?Boost 升壓電路拓?fù)渲兴璧碾姼?、功率開(kāi)關(guān)、二極管、電容元件,都包含在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)渲小Ｖ恍枰黾觾蓚€(gè)開(kāi)關(guān)和少量無(wú)源器件,調(diào)整功率器件的開(kāi)關(guān)策略,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)充電功能。改造后的拓?fù)淙鐖D2 所示:
圖2“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化拓?fù)?/p>
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增加一個(gè)保險(xiǎn)絲和兩個(gè)開(kāi)關(guān),即可實(shí)現(xiàn)Boost 升壓功能。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓引出線P 接電池正極,引出線N 接電池負(fù)極；引出線Pile+接低壓樁正極,Pile- 接低壓樁負(fù)極。工作過(guò)程如下:第一步,關(guān)閉K2,K1 開(kāi)關(guān)。第二步,給電感充電；該拓?fù)淇墒褂萌喽ㄗ与姼兄械囊幌鄬?dǎo)通或多相同時(shí)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)Boost 電路。以L1 一相電感為例,控制V4 的IGBT 導(dǎo)通,其他橋臂斷開(kāi),低壓樁與電感形成回路,給L1 電感充電;此時(shí)上三管的續(xù)流二極管處于截止?fàn)顟B(tài),直流鏈支撐電容給電池充電。第三步,控制V4 斷開(kāi),原回路中的電流通過(guò)V1 的反并聯(lián)二極管進(jìn)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(shí)電池兩端電壓等于電感電壓加低壓樁電壓[4]。重復(fù)步驟二和三,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行升壓充電,直到電池電量充滿。
3.4 電路參數(shù)匹配
假設(shè)一套150kW 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其輸入?yún)?shù)如表1,計(jì)算該系統(tǒng)的充電功率。
表1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)
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(jì)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(guò)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(shí)避免因?yàn)殡娏鬟^(guò)大造成電感飽和。
電感輸出電流可以通過(guò)公式(2)確定[5]
計(jì)算得I0=83A；對(duì)于一套峰值功率為150kW 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其直流側(cè)額定電流超過(guò)100A,交流側(cè)的額定電流設(shè)計(jì)超過(guò)110A,因此I0未超過(guò)功率器件的通流能力,可以承受超過(guò)60 分鐘的充電時(shí)間。
輸出功率計(jì)算依據(jù)公式(3)
計(jì)算得Pout=66.3kW,使用400V充電樁,利用“驅(qū)動(dòng)- 充電”一體化系統(tǒng)進(jìn)行直流充電,充電功率可以達(dá)到66.4kW,相比主流的11kW 家用交流樁充電時(shí)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(guò)渡階段,該拓?fù)渫ㄟ^(guò)在現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)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(yuǎn)高于常見(jiàn)的11kW 家用充電樁。該拓?fù)湟暂^低的成本解決了800V 高壓系統(tǒng)對(duì)低壓充電樁的兼容性,也可以取代功率較低的車載充電機(jī),配合400V 直流充電樁,進(jìn)一步節(jié)省整車空間和成本,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
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