20171022-浙大电源学会培训-OBC与DC-DC--王正仕

电动汽车车载充电机(OBC)与车载DC/DC转换器王正仕（[e-mail]）浙江大学电气工程学院电力电子技术研究所中国电源学会“新能源汽车充电与驱动技术”专题研修班杭州，2017年10月22日内容一、高性能电动汽车车载充电机(OBC)电路二、双向充电机(Bi-OBC）技术方案三、车载DC/DC转换器电路拓扑比较四、充电桩电力电子变换器方案王正仕：[e-mail],一、高性能电动汽车车载充电机电路On-Board-Charger(OBC)王正仕：[e-mail],AEC标准：汽车级电子元器件&部件AEC100为有源器件，AEC200为无源器件A（Automotive）E（Electronics）C（Council）发起委员会：克莱斯勒、通用、福特内容：汽车零件资质与质量标准要点：温度范围：-40°C~125°C；-40°C~150°C（发动机周边）防水震动冲击粉尘发霉稳定性&安全性灵敏度寿命：15年20万公里。。。车载设备与汽车级电子元器件地面充电桩充电OBC驱动逆变器电动汽车电机驱动与电池充电系统AC慢充DC快充电气隔离绝缘：电池包“*”为优选电压等级….800V...电动汽车电池电压电池瓶颈：1.里程焦虑（容量）、2.充电焦虑（方便快速）充电难题：1.大功率/技术（快速）、2.方便/政策（点多）150公里/400公里30分钟/10分钟150kW/350kWOBC电路结构PFC—满足电网侧要求：PF、THD、宽范围电网DC/DC—电气隔离、电池端压宽范围每一级电路高效率一、高性能车载OBC电路拓扑：主流方案*PFC—满足网侧要求：PF、THD、宽范围电网*DC/DC—电气隔离、电池端压宽范围*每一级电路高效率一、高性能车载OBC（续）电路结构(新..)一、高性能车载OBC（续）技术性能内容功率3.3kW@220V(AC);1.6kW@110V(AC)。6.6kW,9.9kW输入电压范围85-265V(AC)功率因数（PF）0.99（典型值）输入电流THD4%额定输出电压360V（DC）输出电压范围200-400V(DC)输出电流范围0-12A整机效率96.3%（典型值）工作模式恒压、恒流（@BMS指令或预设充电曲线）保护功能OVP、OCP、OLP、OTP支持CAN通讯变换器工作状态与故障诊断一、高性能车载OBC（续）3.3kW高效率OBC一、高性能车载OBC（续）电路方案1：传统桥式PFC+LLC桥式PFC适合高电网电压，不利于110Vac系统应用的高效率一、高性能车载OBC（续）电路方案2：无桥式PFC+LLC无桥PFC适合宽范围电网电压，有利于110Vac应用的高效率2.霍尔电压传感器，价格高1.共模EMI大AC电压检测无桥PFC的两个缺点贵一、高性能车载OBC（续）LEM解决无桥PFC的EMI一、高性能车载OBC（续）差分采样——无桥PFC低成本方案一、高性能车载OBC（续）一、高性能车载OBC（续）电路方案3：无桥式PFC+LLC双变压器LLC，有利于提高功率密度（减低变压器高度）电力电子电路调试的GUI界面，方便调试AC侧+2个二极管，EMI一、高性能车载OBC（续）PFC控制框图PFC控制模型V-I-PFC网侧波形Vac&Is一、高性能车载OBC（续）PFC性能一、高性能车载OBC（续）一、高性能车载OBC（续）LmLC串联谐振LLC谐振？(Lm)频率范围太宽！LLC软开关变换器Lm为变压器磁化电感Lm减小LLC网络的(Vo/Vi)传输~LrCrLmRViVoZi21rrLCw=?Vo/Viws/womemessmememessmeioLjRLjRCjLjLjRLjRLjRCjLjLjRV1//1//V1.可升/可降2.增益更陡一、高性能车载OBC（续）f2f1e一、高性能车载OBC（续）LLC设计要点21/rrLCw=?1.效率优化点fo：位于f2附近2.变压器变比Np:Ns,Vd/Vo,考虑电压与负载宽适应范围3.Lm:Lr,结合宽范围要求4.Lr&Cr,考虑谐振Q值、Cr耐压注意：Cr耐压要求，随工作频率fs增大而下降【Epcos电容器】谐振电容Cr500fLLC变换器典型工作状态1：谐振工作(fs=fo)一、高性能车载OBC（续）VdsirisecVD王正仕：[e-mail],略感性D：ZCSLLC变换器典型工作状态2：过谐振(fsfo)一、高性能车载OBC（续）VdsirisVD王正仕：[e-mail],D关断ZCS退化实现ZVSMOS关断电流大无功大LLC变换器典型工作状态3：欠谐振(fsfo)一、高性能车载OBC（续）VdsirisVD王正仕：[e-mail],出现DCM电流宽度压缩，峰值增大TranMVN4sCfAB=创LLC变压器设计CCM过谐振(fs=fo)变压器电压Vtran如何选取？【最低频率点？】VtranIsecIsecVtranDCM欠谐振(fsfo)一、高性能车载OBC（续）常见问题：N取值过大（保守），导致变压器尺寸过大。一、高性能车载OBC（续）ZVSZCSMOS：ZVSD：ZCSLLC变换器的零电压开通&零电流关断性能：充电机效率一、高性能车载OBC（续）二、双向充电机(Bi-OBC）技术方案王正仕：[e-mail],正向：充电；反向：AC电源或V2G车载双向充电机（Bi-OBC）功能正向：电池大功率充电反向：逆变输出交流电地面充电桩充电OBC驱动逆变器电动汽车电机驱动与电池充电系统AC慢充DC快充6.6kW双向充电机（Bi-OBC）充电6.6kW双向充电机（Bi-OBC）放电逆变王正仕：[e-mail],二、6.6kW车载双向充电机(Bi-OBC）电路拓扑特点：正向充电6.6kW反向逆变3.3kW供车220VAC两个3.3kW模块并联模块化汽车级器件数字化控制:400V/320V-400V内容指标内容指标输入电压85V-265VAC/45-65Hz电流纹波1Apk-pk输入电流24-30A（32AMax）最大输出功率6.6kW@230VAC，3.3kW@115VAC输出电压200V-400V充电方式恒流、恒压根据电池容量可设定电压精度/分辨率±2V保护过压、过流、短路、过温系统效率95%@220Vac92%@115Vac接口CAN通讯接口，变换器工作状态信息输出PFC效率98%工作环境温度-40°～+85°C功率因数（PF）0.99@120VAC0.98@230VAC冷却方式水冷最大输出电流32AMax电流精度/分辨率3%/200mA±0.2A技术指标二、车载双向OBC（续）核心元器件器件（英飞凌）serialnumbertypeMaincharacteristicquantity1IKW40N65F5A快速IGBT40A650V122TC233AurixMCU142ED020I12IGBT/MOSDrive45AUIRS2191SDrive86AUIRB24427SDriveTwoMOSs17IPW65R048CFDAIPW65R080CFDMOSFET48mohm650V80mohm650V68IDW30E65D1Diode30A650V69TLE7368Powermanager1二、车载双向OBC（续）反向变换效率双向LLC变换器、双向宽范围、双向高效率固有谐振频率(fr)计算王正仕：[e-mail],折算：总电容：固有频率：英飞凌MCU：TC233英飞凌驱动IC关键技术：二、车载双向OBC（续）Cr2电压波形（正限），变压器VTran波形二、车载双向OBC（续）：二、车载双向OBC（续）fs=fo双向LLC变换器波形:变压器副边电压Vs、谐振电流IsfsfoVsIsIsVsCCM过谐振(fs=fo)VtranIsecIsecVtranDCM欠谐振(fsfo)fs=fo注意：单向&双向LLC的变压器电压波形不同变压器电压波形(Vtran)：双向LLC变压器电压波形(VTran)：单向LLCfsfoIsecVTranVTranVTranVTranfs=fofsfoIsec双向LLC变换器的效率/正向二、车载双向OBC（续）双向LLC变换器的效率/反向二、车载双向OBC（续）6.6kW双向OBC机壳6.6kW双向OBC电路二、车载双向OBC（续）MCU控制板功率板水冷散热器（内装磁芯元件）TC233IGBT二、车载双向OBC（续）关注桥电路上下MOS/IGBT驱动：1.驱动电路布线，防止干扰引起的直通故障2.驱动电路：负压关断（-5V）3.MCU与功率电路隔离驱动关断电压：0V1.驱动回路、功率回路，地线布局，避免干扰。2.-5V关断桥式电路自举浮地驱动的干扰问题负压关断驱动&IGBT电压波形Vgs1Vgs2VdsOBC新趋势（1）——驱动充电一体机电路结构(新方案..)一、高性能车载OBC（续）1.电机驱动&OBC合用一套电路2.大功率便于快速充电3.具有双向功能（AC电源或V2G）电路结构(非主流、新..)功率传递TheBidirectionalCharge-andTraction-System(BCTS)1.shortenthechargingtimefromeighttotwohours,2.reducethecostbyaround$2,000.——ChalmersUniversityofTechnologyinSweden.BCTS工作模式车载充电（OBC）地面充电桩充电400V/100A700V一体机方案1800V400V/100A700V一体机方案2SiC器件+800V系统双向OBC目标：更高效率：97-98%，更高功率密度（高频）300k~500kHz800VOBC新趋势（2）——SiC器件800VOBC单级变换：PFC与DC/DC二合一/单级PFC价格更低，体积更紧凑OBC新趋势（3）——新电路拓扑三、车载DC/DC转换器电路拓扑比较（1）全桥PWM硬开关变换器特点硬开关工作，效率较低副边有电压过冲（选高电压MOS,Rds-on大）电感Ld大电流（220A！）一级变换宽范围调节输出纹波小，Co的ESR要求低典型效率：92%Co三、车载DC/DC转换器（续）（2）移相全桥ZVS变换器特点MOS：ZVS有利高效率副边有电压过冲电感Ld大电流（220A！）(图台程朝达对应电感）Ip有环流，变压器发热一级变换宽范围调节输出纹波小，Co的ESR要求低典型效率：94%三、车载DC/DC转换器（续）Co（3）LLC变换器（ZVS，ZCS）特点LLCMOS:ZVS；D:ZCS；有利高效率二级变换不需要大电流输出电感Ld输出纹波大，Co的ESR要求高对二极管要求低（ZCS）典型效率95.5%三、车载DC/DC转换器（续）王正仕：[e-mail],Ld主要指标内容功率3kW输入电压范围200-400VDC,340VNormi输出电压范围9-16VDC，13.8VNormi输出电流范围0-220ADC综合效率95%@75%以上负载;92%@50%负载;90%@25%负载保护功能OVP、OCP、OLP、OTP支持CAN通讯变换器工作状态与故障诊断信息冷却方式水冷技术指标三、车载DC/DC转换器（续）BOOST_MOS:英飞凌(CoolMOS)IPW65R048CFDA，LLC_MOS：英飞凌(CoolMOS)IPW65R080CFDA，BOOST二极管：IDW32G65C5B（SiC器件）MOS驱动：2ED020I12FA同步整流MOS：IPB180N08S4-02数字控制MCU：英飞凌单片机XMC4200采用器件VgsVdsiL1iL2VgsVdsiL1iL2VgsVdsIrZVSLLC开关管LLC谐振电容LLC谐振电感LLC主变压器辅助电源EMI滤波器Boost储能电感Boost开关管母线电容17.5cm21.5cm控制板同步整流管LL