利用双向电源转换器和 PFC 来提高 HEV、BEV 和电网的能效
作者：Jeff Shepard
在设计混合动力电动汽车 (HEV) 和电池电动汽车 (BEV) 的动力系统时，设计人员持续面临着在提高能效和可靠性的同时降低成本的压力。虽然改用双 12 伏和 48 伏电源轨，通过减轻底盘布线的重量帮助提高了能效，但设计人员还需要专用的解决方案来改善两个电源的管理，使其能够更好地相互支持，同时也使车辆能够支持双向车辆到电网 (V2G) 应用。
这一需求引发了双向转换器和双向功率因数校正 (PFC) 系统的开发，设计人员可利用它们来优化双 12 伏/48 伏电动汽车 (EV) 设计的总体性能，以及连接到电网实现双向功率流。
本文将阐述并回顾双向电源转换给汽车系统带来的好处以及相关的标准。然后介绍诸如 Texas Instruments、Analog Devices 和 Infineon Technologies 这类供应商的解决方案，并展示如何使用它们实现双向电源转换器。
什么是双向电源转换？
在采用 12 伏/48 伏双电压架构的 HEV 中，双向电源将 12 伏和 48 伏系统联接到一起，使得任一电池可由另一个电池进行充电。在过载条件下，它还允许每个电池为任一电压轨提供额外的功率（图 1）。因此，设计人员可以为每个系统使用较小的电池，从而提高可靠性、能效并降低成本。
图 1：双向电源是双电压架构的核心，将 12 伏和 48 伏系统联接到一起，使得任一电池可由另一个电池进行充电，并在过载条件下提供额外的功率。（图片来源：Texas Instruments）
在 BEV 中，设计人员可使用双向 PFC 来支持双向电池充电以及 V2G 操作。V2G 系统以多种方式支持更高的能效：
· 它可以在高需求时期将能量返回电网
· 它可以根据需要降低电池的充电速率，以帮助平衡电网上的负载
· 它允许使用车辆来储存可再生能源的能量
HEV 中的双电压系统是车辆内的自足式系统，能够提高燃油经济性，与此同时，V2G 系统中的双向充电器专为实现改善燃油经济性以外的更广泛成本效益而设计，而且必须与外界接口。
V2G 的实现需要使用通信技术和算法来感测电网状态，还要能够与电动汽车充电基础设施接口（图 2）。
图 2：除了双向电源转换外，V2G 系统还需要包括各种互连和通信标准。（图片来源：Honda）
由此形成的 V2G 基础设施带来了诸多经济效益，包括能够在需求高峰期间为电网提供功率（可能为车主创造收入），以及在电力需求较低的时段为车辆电池充电（降低车辆充电成本）。
与双向电源转换有关的标准
LV148/VDA320 规格定义了在双电压汽车系统中组合 48 伏总线和 12 伏总线的电气要求和测试条件（图 3）。LV148 已被德国汽车制造商奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众汽车采用，适用于常规内燃机汽车和混合动力电动汽车。在撰写本文时，ISO 21780“道路车辆 — 48 V 供电电压 — 电气要求和测试”标准正在制定中。
图 3：LV148/VDA320 规范定义了在双电压汽车系统中组合 48 伏总线和 12 伏总线的电气要求和测试条件；图中所示为 48 伏总线规格。（图片来源：Texas Instruments）
有几种通信协议可应用于 V2G 系统，包括：
· ISO/IEC 15118：定义用于电动汽车双向充电/放电的 V2G 通信接口。该协议使用 IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) 宽带电力线通信 (PLC) 规格作为最佳协议，以确保稳定的通信和高数据速率。HPGP 以 2 MHz 到 30 MHz 的频率运行，使系统能够区分所连接线路上的有效数据与其他附近来源的噪声。
· IEC 61850：定义用于变电站智能电子设备的通信协议，该协议有助于管理可再生电力资源与电动汽车供电设备 (EVSE)（例如充电器）之间的能量流。
图 4：IEC 61850 定义了 V2G 系统的电源和数据流，并使用 IEEE P1901.2 HPGP PLC 规范确保稳定的通信和高数据速率。（图片来源：IBIS）
12 伏/48 伏系统的双向多相 DC-DC 转换器
鉴于典型 12 伏/48 伏双向 DC-DC 转换器的高功率水平，往往需要使用多相拓扑。多相设计通过实现相降提高了总体转换能效，因而可随着功率需求的下降而减少主动相的数量。多相设计还能实现在每个相的输出端使用较小的滤波器元器件；使用较小的电感器改善负载的瞬态性能。最后，以适当的交错运行各个相可减小输出纹波。
Texas Instruments 的 LM5170-Q1 是一款高性能的多相双向电流控制器，适用于管理汽车双电池系统 48 伏部分与 12 伏部分之间的电流传输（图 5）。它集成了基本的模拟功能，可利用数量极少的外部元器件设计高功率的电源转换器。多相并行工作有两种实现方式：连接两个 LM5170-Q1 控制器实现三相或四相工作，或者多个控制器与相移时钟同步以实现更多相位工作。
图 5：LM5170-Q1 多相双向电流控制器用于管理汽车双电池系统 48 伏部分和 12 伏部分之间的电流传输；红色箭头突出显示了双向电流。（图片来源：Texas Instruments）
LM5170-Q1 包括双通道差分电流检测放大器和专用通道电流监测计，实现了 1% 的典型电流精度。稳定的 5 安 (A) 半桥栅极驱动器能够驱动功率不低于每通道 500 瓦的并联 MOSFET 开关。同步整流器的二极管仿真模式可避免出现负向电流，而且还支持通过非连续工作模式提高轻载效率。多用途保护功能包括逐周期电流限制、高电压和低电压端口过压保护、MOSFET 故障检测和超温保护。该控制器具有汽车功能安全能力。
Texas Instruments 提供了 LM5170EVM-BIDIR 评估模块，供工程师在 12 伏/48 伏双电池系统应用中评估 LM5170-Q1。两相电路采用 180°交错运行，均享高达 60 A 的最大 DC 电流。此评估模块还包括各种跳线，可灵活、方便地配置电路以适合许多不同的用例，包括受微控制器 (MCU) 和大功率单向降压或升压转换器控制的功能。
双向转换器的主/从多相架构
Analog Devices 提供了 LT8708 降压-升压开关稳压器控制器，可用于 12 伏/48 伏双向电源转换器。LT8708 是一个 80 伏同步 4 开关降压-升压 DC-DC 控制器，具有双向功能，可支持高达约 30 A 的负载电流。对于更高的电流需求，LT8708 主控制器可以与一个或多个从属芯片组合。主/从架构的使用可以降低多相设计中的解决方案成本，因为单个（价格较高）主 IC 可以控制多个（成本较低）从属 IC。
当从属 IC 连接到主 IC 时，它们按比例提高系统的功率和电流能力。但重要的是，从属 IC 应具有与 LT8708 相同的导电模式，以便能够在与主 IC 相同的方向上传导电流和功率。主 IC 控制 LT8708 多相系统的总体电流和电压限制，而从属 IC 需要遵守这些限制。
通过将四个信号连接到一起，可以轻松地将从属 IC 与 LT8708 并联（图 6）。每个从属 IC 上都提供两个附加的电流限制（正向 VIN 电流和反向 VIN 电流），其可进行独立设置。
图 6：使用 LT8708（主 IC）和从属 IC 的三相 DC-DC 转换器突出显示了四个信号互连。（图片来源：Analog Devices）
Analog Devices 的 DC2719A 演示板使用 LT8708 组合关联的从属 IC (LT8708-1)，提供 40 A 电流。该评估板可采用正向和反向两种模式运行。控制器具有集成的输入电压和输出电压稳压器，以及两组用于控制正向或反向电流的输入和输出电流调节器。所包括的功能可简化电池/电容器备份系统和其他可能需要调节 VIN、VOUT、IIN 和/或 IOUT 的应用中的双向电源转换。
电网交互式 BEV 的双向功率因数校正
针对电网交互式 BEV 的设计人员，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 评估板，这是一款具有双向电源功能的 3300 瓦无桥图腾柱功率因数校正器（图 7）。这款无桥图腾柱 PFC 板适用于需要高能效（约 99%）和高功率密度（每立方英寸 72 瓦）的应用。
图 7：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 是一款 3300 瓦无桥图腾柱 PFC 板。（图片来源：Infineon）
通过使用宽带隙半导体，在具有连续导通模式 (CCM) 操作的 PFC 应用中采用图腾柱拓扑变得可行。这种情况下，Infineon 采用 TO-247 四引脚封装的 IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET 可用于将半负载时的能效提高到 99%。该转换器专门以 65 千赫兹 (kHz) 的开关频率，在 CCM 中的高线路电压（最低 176 Vrms，标称 230 Vrms）下工作。
此 3300 瓦无桥双向（PFC/AC-DC 和逆变器/AC-DC）图腾柱是使用 Infineon 功率半导体以及 Infineon 驱动器和控制器开发的系统解决方案。设计中使用的 Infineon 器件包括：
· 采用 TO-247 四引脚封装的 64 毫欧 (mΩ) 650 伏 CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1)，作为图腾柱 PFC 高频开关
· 采用 TO-247 封装的 17 mΩ 600 伏 CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7)，用于图腾柱 PFC 返回路径（低频电桥）
· 2EDF7275F 隔离式栅极驱动器 (EiceDRIVER)
· ICE5QSAG QR反激式控制器和950伏的CoolMOS P7 MOSFET（IPU95R3K7P7AKMA1）用于偏置辅助电源
· XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 微控制器，用于 PFC 控制实现
EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上实现的图腾柱在 CCM 下以整流器 (PFC) 和逆变器两种模式工作，并使用 Infineon 的 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 微控制器实现全数字控制。
结语
为迎合设计人员提升能效的需求，双电压 12 伏/48 伏架构应运而生，成为 HEV 和 BEV 的首选拓扑。这就需要高效的电源管理来优化该架构的使用。双向 DC-DC 转换器和电池充电器的出现使 12 伏和 48 伏系统在其中一个需要充电的情况下或在过载条件下能够相互支持。
同样，对于 BEV 而言，双向 PFC 级可支持电池与公用电网之间的双向功率流。由此形成的 V2G 连接带来的经济效益不仅限于改善燃油经济性，还包括能够在需求高峰期间为电网供电，以及在电力需求较低时为汽车电池充电。
