汽車系統如何實現雙向電源轉換器

在設計混合動力電動汽車 (HEV) 和電池電動汽車 (BEV) 的動力系統時，設計人員持續面臨著在提高能效和可靠性的同時降低成本的壓力。雖然改用雙 12 伏和 48 伏電源軌，通過減輕底盤布線的重量幫助提高了能效，但設計人員還需要專用的解決方案來改善兩個電源的管理，使其能夠更好地相互支持，同時也使車輛能夠支持雙向車輛到電網 (V2G) 應用。

這一需求引發了雙向轉換器和雙向功率因數校正 (PFC) 系統的開發，設計人員可利用它們來優化雙 12 伏/48 伏電動汽車 (EV) 設計的總體性能，以及連接到電網實現雙向功率流。

本文將闡述并回顧雙向電源轉換給汽車系統帶來的好處以及相關的標準。然后介紹諸如 Texas Instruments、Analog Devices 和 Infineon Technologies 這類供應商的解決方案，并展示如何使用它們實現雙向電源轉換器。

什么是雙向電源轉換？

在采用 12 伏/48 伏雙電壓架構的 HEV 中，雙向電源將 12 伏和 48 伏系統聯接到一起，使得任一電池可由另一個電池進行充電。在過載條件下，它還允許每個電池為任一電壓軌提供額外的功率（圖 1）。因此，設計人員可以為每個系統使用較小的電池，從而提高可靠性、能效并降低成本。

在 BEV 中，設計人員可使用雙向 PFC 來支持雙向電池充電以及 V2G 操作。V2G 系統以多種方式支持更高的能效：

它可以在高需求時期將能量返回電網

它可以根據需要降低電池的充電速率，以幫助平衡電網上的負載

它允許使用車輛來儲存可再生能源的能量

HEV 中的雙電壓系統是車輛內的自足式系統，能夠提高燃油經濟性，與此同時，V2G 系統中的雙向充電器專為實現改善燃油經濟性以外的更廣泛成本效益而設計，而且必須與外界接口。

V2G 的實現需要使用通信技術和算法來感測電網狀態，還要能夠與電動汽車充電基礎設施接口（圖 2）。

由此形成的 V2G 基礎設施帶來了諸多經濟效益，包括能夠在需求高峰期間為電網提供功率（可能為車主創造收入），以及在電力需求較低的時段為車輛電池充電（降低車輛充電成本）。

與雙向電源轉換有關的標準

LV148/VDA320 規格定義了在雙電壓汽車系統中組合 48 伏總線和 12 伏總線的電氣要求和測試條件（圖 3）。LV148 已被德國汽車制造商奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾汽車采用，適用于常規內燃機汽車和混合動力電動汽車。在撰寫本文時，ISO 21780“道路車輛 — 48 V 供電電壓 — 電氣要求和測試”標準正在制定中。

有幾種通信協議可應用于 V2G 系統，包括：

ISO/IEC 15118：定義用于電動汽車雙向充電/放電的 V2G 通信接口。該協議使用 IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) 寬帶電力線通信 (PLC) 規格作為最佳協議，以確保穩定的通信和高數據速率。HPGP 以 2 MHz 到 30 MHz 的頻率運行，使系統能夠區分所連接線路上的有效數據與其他附近來源的噪聲。

IEC 61850：定義用于變電站智能電子設備的通信協議，該協議有助于管理可再生電力資源與電動汽車供電設備 (EVSE)（例如充電器）之間的能量流。

12 伏/48 伏系統的雙向多相 DC-DC 轉換器

鑒于典型 12 伏/48 伏雙向 DC-DC 轉換器的高功率水平，往往需要使用多相拓撲。多相設計通過實現相降提高了總體轉換能效，因而可隨著功率需求的下降而減少主動相的數量。多相設計還能實現在每個相的輸出端使用較小的濾波器元器件；使用較小的電感器改善負載的瞬態性能。最后，以適當的交錯運行各個相可減小輸出紋波。

Texas Instruments 的 LM5170-Q1 是一款高性能的多相雙向電流控制器，適用于管理汽車雙電池系統 48 伏部分與 12 伏部分之間的電流傳輸（圖 5）。它集成了基本的模擬功能，可利用數量極少的外部元器件設計高功率的電源轉換器。多相并行工作有兩種實現方式：連接兩個 LM5170-Q1 控制器實現三相或四相工作，或者多個控制器與相移時鐘同步以實現更多相位工作。

LM5170-Q1 包括雙通道差分電流檢測放大器和專用通道電流監測計，實現了 1% 的典型電流精度。穩定的 5 安 (A) 半橋柵極驅動器能夠驅動功率不低于每通道 500 瓦的并聯 MOSFET 開關。同步整流器的二極管仿真模式可避免出現負向電流，而且還支持通過非連續工作模式提高輕載效率。多用途保護功能包括逐周期電流限制、高電壓和低電壓端口過壓保護、MOSFET 故障檢測和超溫保護。該控制器具有汽車功能安全能力。

Texas Instruments 提供了 LM5170EVM-BIDIR 評估模塊，供工程師在 12 伏/48 伏雙電池系統應用中評估 LM5170-Q1。兩相電路采用 180°交錯運行，均享高達 60 A 的最大 DC 電流。此評估模塊還包括各種跳線，可靈活、方便地配置電路以適合許多不同的用例，包括受微控制器 (MCU) 和大功率單向降壓或升壓轉換器控制的功能。

雙向轉換器的主/從多相架構

Analog Devices 提供了 LT8708 降壓-升壓開關穩壓器控制器，可用于 12 伏/48 伏雙向電源轉換器。LT8708 是一個 80 伏同步 4 開關降壓-升壓 DC-DC 控制器，具有雙向功能，可支持高達約 30 A 的負載電流。對于更高的電流需求，LT8708 主控制器可以與一個或多個從屬芯片組合。主/從架構的使用可以降低多相設計中的解決方案成本，因為單個（價格較高）主 IC 可以控制多個（成本較低）從屬 IC。

當從屬 IC 連接到主 IC 時，它們按比例提高系統的功率和電流能力。但重要的是，從屬 IC 應具有與 LT8708 相同的導電模式，以便能夠在與主 IC 相同的方向上傳導電流和功率。主 IC 控制 LT8708 多相系統的總體電流和電壓限制，而從屬 IC 需要遵守這些限制。

通過將四個信號連接到一起，可以輕松地將從屬 IC 與 LT8708 并聯（圖 6）。每個從屬 IC 上都提供兩個附加的電流限制（正向 VIN 電流和反向 VIN 電流），其可進行獨立設置。

Analog Devices 的 DC2719A 演示板使用 LT8708 組合關聯的從屬 IC (LT8708-1)，提供 40 A 電流。該評估板可采用正向和反向兩種模式運行?？刂破骶哂屑傻妮斎腚妷汉洼敵鲭妷悍€壓器，以及兩組用于控制正向或反向電流的輸入和輸出電流調節器。所包括的功能可簡化電池/電容器備份系統和其他可能需要調節 VIN、VOUT、IIN 和/或 IOUT 的應用中的雙向電源轉換。

電網交互式 BEV 的雙向功率因數校正

針對電網交互式 BEV 的設計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板，這是一款具有雙向電源功能的 3300 瓦無橋圖騰柱功率因數校正器（圖 7）。這款無橋圖騰柱 PFC 板適用于需要高能效（約 99%）和高功率密度（每立方英寸 72 瓦）的應用。

通過使用寬帶隙半導體，在具有連續導通模式 (CCM) 操作的 PFC 應用中采用圖騰柱拓撲變得可行。這種情況下，Infineon 采用 TO-247 四引腳封裝的 IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET 可用于將半負載時的能效提高到 99%。該轉換器專門以 65 千赫茲 (kHz) 的開關頻率，在 CCM 中的高線路電壓（最低 176 Vrms，標稱 230 Vrms）下工作。

此 3300 瓦無橋雙向（PFC/AC-DC 和逆變器/AC-DC）圖騰柱是使用 Infineon 功率半導體以及 Infineon 驅動器和控制器開發的系統解決方案。設計中使用的 Infineon 器件包括：

· 采用 TO-247 四引腳封裝的 64 毫歐 (m?) 650 伏 CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1)，作為圖騰柱 PFC 高頻開關

· 采用 TO-247 封裝的 17 mΩ 600 伏 CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7)，用于圖騰柱 PFC 返回路徑（低頻電橋）

2EDF7275F 隔離式柵極驅動器 (EiceDRIVER)

ICE5QSAG QR 反激控制器和 950 伏 CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1)，用于偏置輔助電源

XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 微控制器，用于 PFC 控制實現

EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實現的圖騰柱在 CCM 下以整流器 (PFC) 和逆變器兩種模式工作，并使用 Infineon 的 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 微控制器實現全數字控制。

總結

為迎合設計人員提升能效的需求，雙電壓 12 伏/48 伏架構應運而生，成為 HEV 和 BEV 的首選拓撲。這就需要高效的電源管理來優化該架構的使用。雙向 DC-DC 轉換器和電池充電器的出現使 12 伏和 48 伏系統在其中一個需要充電的情況下或在過載條件下能夠相互支持。

同樣，對于 BEV 而言，雙向 PFC 級可支持電池與公用電網之間的雙向功率流。由此形成的 V2G 連接帶來的經濟效益不僅限于改善燃油經濟性，還包括能夠在需求高峰期間為電網供電，以及在電力需求較低時為汽車電池充電。

編輯：hfy