Hibrid gépkocsik (HEV), akkumulátoros elektromos járművek (BEV) és az elektromos hálózat hatékonyságának javítása kétirányú áramátalakítókkal és teljesítménytényező korrekcióval

A hibrid gépkocsik (HEV) és az akkumulátoros elektromos járművek (BEV) energiarendszereinek tervezőire állandó nyomás nehezedik, hogy javítsák a hatékonyságot és a megbízhatóságot, persze csökkentett költségek mellett. Habár a kettő tápsínes 12 V-os és 48 V-os akkumulátorfeszültségekre való áttérés eredményeként sikerült lecsökkenteni az alvázi vezetékezés súlyát, és ennek következtében növelni a hatékonyságot, a tervezőknek célra rendelt megoldásokra van szükségük a két áramforrás hatékonyabb vezérléséhez, hogy azok jobban ki tudják egészíteni egymást, és ugyanakkor támogassák a kétirányú vehile-to-grid (V2G) rendszereket is.

Ez az igény olyan kétirányú átalakítók és teljesítménytényező-javító rendszerek kifejlesztéséhez vezetett, amelyek segítségével a tervezők optimalizálni tudják a két akkumulátoros 12/48 V-os elektromos járművek általános teljesítményét, és lehetővé teszik a villamos hálózathoz való csatlakozást is, biztosítva a kétirányú energiaáramlást.

Ez a cikk az autóipari rendszerekben, és a kapcsolódó szabványokban alkalmazott kétirányú teljesítményátalakítás előnyeit definiálja és tekinti át. Ezután megoldásokat mutat be a Texas Instruments, az Analog Devices és az Infineon Technologies gyártóktól, és ismerteti, hogyan használhatók azok kétirányú áramátalakítók megvalósítására.

Mi az a kétirányú teljesítményátalakítás?

A kettős akkumulátorfeszültségű 12 V-os és 48 V-os architektúrás hibrid gépkocsiknál egy kétirányú tápegység kapcsolja össze a 12 és a 48 V-os rendszert, így bármelyik akkumulátor tölthető a másikkal. Ez lehetővé teszi továbbá mindkét akkumulátor számára, hogy fennálló energiatöbblet esetén bármelyik feszültségsínre energiát adjon le (1. ábra). A tervezők így mindkét esetben kisebb akkumulátorokat használhatnak, ami nagyobb megbízhatóságot, hatékonyabb működést és alacsonyabb költségeket eredményez.

1. ábra A kétfeszültségű architektúra középpontjában található kétirányú tápegység összekapcsolja a 12 V-os és 48 V-os rendszereket, így bármelyik akkumulátor tölthető a másikkal, és túlterhelés esetén a fennálló energiatöbblet leadható. (Kép: Texas Instruments)

Az akkumulátoros elektromos járműveknél (BEV-eknél) a tervezők kétirányú teljesítménytényező-korrekcióval tudják javítani a kétirányú akkumulátor-töltést és támogatni a V2G-működést. A V2G rendszerek többféleképpen járulnak hozzá a hatékonyság növeléséhez:

• nagy teljesítményigényű időszakokban energiát tudnak visszatáplálni a hálózatba;
• szükség esetén csökkenthetik az akkumulátorok töltési sebességét, hogy a hálózat terhelése kiegyenlítődjön;
• segítségükkel a jármű felhasználható a megújuló energiaforrásokból származó energia tárolására.

Míg a hibrid gépkocsik kettős feszültségű rendszerei az üzemanyag-takarékosságot is növelő önálló egységek a járművön belül, a V2G-rendszereknél a kétirányú töltő úgy van megtervezve, hogy az üzemanyagfogyasztás javításán túlmenően szélesebb költségelőnyökkel is járjon, és kapcsolódni tudjon a külvilághoz.

A V2G megvalósításához a hálózat állapotát érzékelni képes kommunikációs technológiákra és algoritmusokra, valamint az elektromos járművek töltési infrastruktúrájához való kapcsolódási képességre van szükség (2. ábra).

2. ábra A kétirányú áramátalakítás mellett a V2G rendszereknek különféle összekapcsolási és kommunikációs szabványoknak kell megfelelniük. (Kép: Honda)

Az ennek megfelelően létrehozott V2G infrastruktúra gazdaságossági előnyökkel jár. Többek között csúcs teljesítményigény esetén a rendszer energiát tud visszatáplálni a hálózatba (ami potenciális bevételt jelenthet a jármű tulajdonosa számára) és alacsony villamosenergia-igényű periódusokban tölteni képes a jármű akkumulátorait (csökkentve ezzel a jármű töltési költségeit).

A kétirányú áramátalakításra vonatkozó szabványok

Az LV148/VDA320 specifikációk definiálják azokat az elektromos követelményeket és vizsgálati feltételeket, amelyeknek meg kell felelni a kétfeszültségű járműipari rendszerekben egy 48 V-os és egy 12 V-os busz kombinálásakor (3. ábra). Az egyaránt a hagyományos belső égésű járművekre és a hibrid gépkocsikra is vonatkozó LV148-at elfogadták az Audi, a BMW, a Daimler, a Porsche és a Volkswagen német autógyártók. Ezen cikk írása idején az ISO 21780 „Közúti járművek – 48 V tápfeszültség – elektromos követelmények és tesztek” szabvány kidolgozása még folyamatban van.

3. ábra Az LV148/VDA320 specifikációk definiálják azokat az elektromos követelményeket és vizsgálati feltételeket, amelyeknek a kétfeszültségű járműipari rendszereknél meg kell felelni egy 48 V-os és egy 12 V-os busz kombinálásakor. Az ábrán egy 48 V-os buszra érvényes műszaki követelmények láthatók. (Kép: Texas Instruments)

Számos kommunikációs protokoll létezik, amely a V2G rendszerekre vonatkoztatható, többek között:

• Az ISO/IEC 15118, amely definiálja az elektromos járművekre vonatkozólag a kétirányú energiaátvitelkor alkalmazott V2G kommunikációs interfészt. Ez a szabvány az IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) szélessávú villamoshálózati távközlés (PLC) specifikációira épül, amelyre úgy tekint mint a megbízható kommunikáció és a nagy adatsebesség biztosítására leginkább alkalmas protokollra. A 2–30 MHz közötti frekvencián működő HPGP lehetővé teszi a rendszer számára, hogy megkülönböztesse a csatlakoztatott vonali hasznos adatokat az egyéb közeli források által generált zajtól.
• Az IEC 61850, amely az elektromos alállomások intelligens elektronikus eszközeinek kommunikációs protokolljait definiálja, amelyek alkalmazásával a megújuló áramforrások és az elektromos járművek tápberendezései (EVSE), például a töltőállomások közötti energiaáramlás vezérelhető.

4. ábra Az IEC 61850 definiálja a V2G rendszerekre vonatkozólag az energia- és adatáramlást. A szabvány a megbízható kommunikáció és a nagy adatsebesség biztosításához az IEEE P1901.2 HPGP PLC specifikációkra épül. (Kép: IBIS)

Kétirányú többfázisú DC-DC átalakítók 12/48 V-os rendszerekhez

Egy tipikus 12/48 V-os kétirányú DC-DC átalakító esetében annak nagy teljesítményszintje miatt általában többfázisú topológiát alkalmaznak. A többfázisú kialakítás javítja az általános konverziós hatásfokot, mivel egy-egy fázis kikapcsolásával a csökkenő energiaigénnyel együtt csökkenteni lehet az aktív fázisok számát. A többfázisú kialakításnak köszönhetően továbbá kisebb méretű szűrőelemek helyezhetők el az egyes fázisok kimenetein. Kisebb fojtások használatával a tranziensekkel szembeni tűrés is javul a terhelésen. Végezetül, megfelelő fáziskésleltetéssel a jel kimeneti hullámossága is alacsonyabb lesz.

A Texas Instruments LM5170-Q1 vezérlője egy nagy teljesítményű, többfázisú kétirányú áramszabályozó, amelyet a két akkumulátoros gépjárműi rendszerek 48 V-os és 12 V-os részei közötti áramátvitel szabályozására terveztek (5. ábra). Olyan alapvető analóg funkciókat tartalmaz, amelyek segítségével nagy teljesítményű áramalakítók tervezhetők meg minimális számú külső alkatrész alkalmazásával. A többfázisú párhuzamos működés két LM5170-Q1 vezérlő összekapcsolásával érhető el a három vagy négy fázisú működéshez, vagy pedig ennél több fázis esetén több vezérlőt szükséges szinkronizálni fáziseltolt órajelekkel.

5. ábra Az LM5170-Q1 többfázisú kétirányú áramszabályozó szabályozza a kettő akkumulátorral rendelkező gépjárműi rendszerek 48 V-os és 12 V-os részei közötti áramátvitelt. A piros nyilak mutatják az áram kétirányú áramlását. (Kép: Texas Instruments)

Az 1%-os tipikus áramerősség-pontosságot az LM5170-Q1 kétcsatornás áramkülönbség-érzékelő erősítők és dedikált csatornaáram-figyelők használatával éri el. A robosztus 5 A-es félhidas kapuvezérlők képesek párhuzamos MOSFET-kapcsolókat vezérelni, ami csatornánként 500 W vagy még nagyobb teljesítmény elérését teszi lehetővé. Ezenkívül a szinkron egyenirányítók diódaemulációs üzemmódja nemcsak a negatív irányú áramot akadályozza meg, hanem lehetővé teszi a nem folytonos üzemmódú működést is, ami kis terhelések esetén javítja a hatásfokot. Az eszközt számos védelmi funkcióval is ellátták, a MOSFET-ek hibaérzékelésétől a kis- (LV) és nagyfeszültségű (HV) portok túlfeszültségvédelmén és a ciklusonkénti áramkorlátozáson át a túlmelegedés-védelemig. A vezérlő megfelel az autóipari funkcionális biztonsági követelményeknek.

A Texas Instruments kínálatában szerepel az LM5170EVM-BIDIR kiértékelő modul is, amely lehetővé teszi a mérnökök számára az LM5170-Q1-nek a 12/48 V-os két akkumulátoros rendszerekben való működésének kiértékelését. A két fázis 180˚-ot késik egymástól, és maximálisan 60 A egyenáramot oszthatnak szimmetrikusan. Ez a kiértékelő modul különféle átkötőket is tartalmaz, amelyekkel az áramkör rugalmasan és kényelmen hozzáigazítható a különböző felhasználási igényekhez, beleértve a mikrovezérlővel (MCU-val) és nagy teljesítményű egyirányú feszültségcsökkentő vagy -növelő átalakítókkal történő vezérlést is.

Többfázisú mester/szolga architektúra kétirányú átalakítókhoz

Az Analog Devices az LT8708 buck-boost kapcsolóüzemű feszültségszabályozót kínálja a 12/48 V-os kétirányú áramátalakítókban történő használatra. Az LT8708 egy kétirányú képességgel rendelkező 80 V-os szinkron 4-kapcsolós buck-boost DC-DC vezérlő, amely körülbelül 30 A terhelőáram elviselésére képes. Nagyobb áramigények esetén az LT8708 mester vezérlő egy vagy több szolga chippel kombinálható. Egy mester-szolga kialakítás a többfázisú rendszereknél csökkentheti a megoldás költségeit mivel egyetlen (drágább) mester IC használható több (olcsóbb) szolga IC vezérlésére.

A szolgák a mesterhez kapcsolódnak, és arányosan növelik a rendszer teljesítményét és áramerősségét. Fontos azonban, hogy a szolgák az LT8708-val azonos áramvezetési üzemmódban működjenek, hogy az áramot és a teljesítményt a mester által kért irányba vezessék. Egy LT8708-at tartalmazó többfázisú rendszernél a mester szabályoz minden áram- és feszültség-határértéket, és a szolgák igazodnak ezekhez.

Négy jel összekapcsolásával egy szolga könnyen párhuzamosba kapcsolható az LT8708-val (6. ábra). Minden egyes szolgán két további áramkorlát (V_IN-nél az egyik és a másik irányban folyó áram) áll rendelkezésre, amelyek külön-külön állíthatók.

6. ábra A négy jel összekapcsolásának bemutatása egy LT8708-at (master) és szolga IC-ket tartalmazó háromfázisú DC-DC átalakítóval. (Kép: Analog Devices)

Az Analog Devices DC2719A fejlesztőlapja 40 A áramot szolgáltat egy LT8708 és egy hozzá tartozó szolga (LT8708-1) kombinálásával. A kártya előre- és hátrafelé vezető irányban is működhet. A vezérlő beépített bemeneti és kimeneti feszültségszabályozókkal, valamint kettő bemeneti és kimeneti áramszabályozóval rendelkezik az áram folyásának szabályozására az egyik vagy másik irányban. Funkcióinak köszönhetően a kétirányú áramalakítás egyszerűen megoldható az akkumulátoros vagy kondenzátoros tartalékrendszereknél, és más olyan alkalmazásoknál is, amelyeknél a V_IN, a V_OUT, az I_IN és/vagy az I_OUT szabályozására lehet szükség.

Kétirányú teljesítménytényező-korrekció villamos hálózattal kommunikáló BEV-eknél

A villamos hálózattal kommunikálni képes akkumulátoros elektromos járművek (BEV-ek) tervezői számára az Infineon kínálatában megtalálható az EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 fejlesztőlap, amely egy 3300 W-os híd nélküli totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező-javító áramkör, kétirányú teljesítményátviteli képességgel (7. ábra). Ez a teljesítménytényező-javító kártya a nagy hatásfokot (kb. 99%) és nagy teljesítménysűrűséget (72 W/köbhüvelyk) igénylő alkalmazásokhoz készült.

7. ábra Az EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 egy 3300 W-os híd nélküli totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező-javító kártya. (Kép: Infineon)

A folytonos áramvezetési üzemmódban (CCM) működő teljesítménytényező-javító áramköröknél a totemoszlopos-kapcsolás széles tiltott sávú félvezetők segítségével valósítható meg. Ebben az esetben a fél terhelés melletti 99%-os hatásfok az Infineon 4-tűs TO-247 tokozású IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET-jével van megvalósítva. Folytonos áramvezetési üzemmódban az átalakító kizárólag magas hálózati feszültséggel (legalább 176 V effektív, névlegesen 230 V effektív) működik, 65 kHz kapcsolási frekvenciával.

Ez a 3300 W-os híd nélküli kétirányú (egyenirányító/AC-DC és invertáló/AC-DC) totemoszlop-kapcsolás egy rendszermegoldás, amelyet Infineon gyártmányú teljesítményelektronikai félvezetők, valamint Infineon meghajtók és vezérlők felhasználásával fejlesztettek ki. A kialakításban felhasznált Infineon eszközök a következők:

• 64 mΩ-os, 650 V-os, 4-tűs TO-247 tokozású CoolSiC MOSFET-ek (IMZA65R048M1) a totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező-javító áramkör nagyfrekvenciás kapcsolóiként
• 17 mΩ-os, 600 V-os, TO-247 tokozású CoolMOS C7 MOSFET-ek (IPW60R017C7) a totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező-javító áramkör visszatérési útvonalához (alacsony frekvenciájú híd)
• 2EDF7275F izolált kapumeghajtók (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR flyback vezérlő és 950 V-os CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1) az előfeszítő segédtáphoz
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon mikrovezérlő a teljesítménytényező-javítás implementálásához

Az EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 kártyán megvalósított folytonos áramvezetési üzemmódban működő totemoszlopos kapcsolás egyaránt működik egyenirányító és invertáló üzemmódban. Teljes mértékben digitálisan vezérelhető az Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1 mikrovezérlőjével.

Összegzés

A hatékonyság javítására törekvő tervezőknek köszönhetően megjelentek a 12/48 V-os két feszültségű architektúrák a hibrid gépkocsik (HEV-ek) és az akkumulátoros elektromos járművek (BEV-ek) választott topológiájaként. Ennek következtében hatékony megoldásokat kellett kitalálni az energiafogyasztás-szabályozásának optimalizálására. Kétirányú DC-DC átalakítók és akkumulátortöltők jelentek meg, hogy a 12 V-os és 48 V-os voltos rendszerek támogatni tudják egymást, ha az egyik újratöltésére, vagy az egyikben lévő energiatöbblet esetén áramleadásra van szükség.

A BEV-eknél ezenkívül egy kétirányú teljesítménytényező-javító fokozat lehetővé teszi az akkumulátor és a villamos közhálózat közötti kétirányú energiaáramlást. Az így létrejövő V2G-kapcsolat az üzemanyag-takarékosság javításán túl gazdaságossági előnyökkel is jár, többek között, hogy csúcs teljesítményigény esetén a rendszer energiát tud visszajuttatni a közhálózatba, míg alacsony villamosenergia-igényű periódusokban tölteni tudja a jármű akkumulátorait.

Ajánlott olvasnivaló

1. Használjon speciális áramátalakítókat a kettő akkumulátoros 12/48 V jelentette különbségek áthidalására az autóipari rendszerekben
2. Elektromos járművek csatlakoztatása az okoshálózathoz a stabilitás és a biztonság érdekében