電動汽車“驅動- 充電”一體化拓撲研究

紀竹童

(華人運通(江蘇)技術有限公司上海分公司,上海200000)

1 概述

隨著電動汽車的普及,人們對電動汽車的充電速率提出了更高的要求。目前電動汽車普遍采用400V 電壓系統,對于一臺續航超過600km 的電動汽車,其電池容量超過90kwh,使用直流快充樁進行直流充電時,SOC 從10%充到90%需要1 小時,無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350A 后充電槍線路需要增加水冷散熱,進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,提升電動汽車的充電速率,降低充電損耗。

目前各大整車廠已經展開了800V 電驅動系統的研究,以減少電動汽車充電時間,提升用戶體驗。但是充電樁作為基礎設施建設,其應用和普及存在滯后性,目前的充電樁電壓等級以400V 為主。在電動汽車電壓從400V 向800V 過渡的過程中,需要解決800V 系統對400V 充電樁(以下稱“低壓樁”)的兼容性[1],也要兼顧高壓系統的成本,同時還要考慮零件裝配空間、車重、整車安全性等工程問題,給電驅動系統帶來了很大挑戰。

2 國內外研究現狀

目前國內外整車廠開發的800V 高壓電驅動系統,普遍采用的高壓拓撲如圖1 所示:

圖1 800V 主流電驅動高壓拓撲

高壓系統拓撲中通常包含電池、車載充電機(OBC)、高壓轉12V 直流變換器(DCDC)、電機控制器、電機、PTC、400V 轉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在高壓直流母線上。

在電驅動模式下,電機控制器將電池提供的直流電轉化為頻率和幅值可變的三相交流電,驅動電機旋轉。

在充電模式下,不同電壓等級的充裝樁通過充電槍連接高壓系統中對應的充電口。接800V 直流充電樁(以下稱“高壓樁”)時,通過充電槍直接與電池內的電池管理系統(BMS)相連,實現800V 充電,最大瞬時充電功率超過300kW。充電樁輸出為400V 直流時,充電槍連接到Boost 模塊接口；該模塊通過Boost電路,將400V 直流升壓到800V 直流后,給電池充電。

以保時捷為例,保時捷Taycan 較早的采用了800V 高壓系統,為了同時兼容400V 充電樁,Taycan 除了標配800V 直流充電系統,還增加了400V 到800V 的Boost(升壓)充電模塊。作為一項可選配置,該方案既擠占了車身空間,又增加了高壓系統的開發成本和硬件成本。

3 電驅動系統升壓拓撲

本文提出一種電驅動系統的“驅動- 充電”一體化拓撲,將Boost 電路與電驅動系統拓撲相結合:通過電動汽車上已有的功率器件,實現Boost 電路中的整流電路；利用電機定子電感進行濾波。該拓撲只增加少量電子器件,即可在電驅動系統基礎上增加直流升壓充電功能,達到簡化高壓系統拓撲和降低成本的目的。

3.1 Boost 電路拓撲及工作原理

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,利用開關管開通和關斷的時間比率,維持直流的穩定輸出[2]。Boost 電路拓撲已有較多文獻進行了詳細研究,本文不再贅述。

3.2 電驅動系統拓撲及工作原理

電驅動系統由電機控制器、電機和減速箱組成。電機控制器的作用是將電池提供的直流電轉換為三相交流電輸入到電機側,控制電機旋轉、啟停并對電機進行保護。電機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,通過接收控制電路發出的PWM控制信號并執行開關動作,實現逆變過程[3]。電動汽車多數使用永磁同步電機或交流異步電機,定子繞組的接線方式通常使用星形連接,為研究方便,將電機每相繞組模型等效為電感和電阻串聯。由于電機控制原理已有較多文獻進行了詳細研究,本文不再贅述。

3.3“驅動- 充電”一體化拓撲及工作原理

通過對比Boost 升壓電路拓撲圖和電驅動系統拓撲可以看出,Boost 升壓電路拓撲中所需的電感、功率開關、二極管、電容元件,都包含在電驅動系統拓撲中。只需要增加兩個開關和少量無源器件,調整功率器件的開關策略,電驅動系統就可以實現充電功能。改造后的拓撲如圖2 所示:

圖2“驅動- 充電”一體化拓撲

在電驅動系統基礎上,增加一個保險絲和兩個開關,即可實現Boost 升壓功能。電驅動系統的高壓引出線P 接電池正極,引出線N 接電池負極；引出線Pile+接低壓樁正極,Pile- 接低壓樁負極。工作過程如下:第一步,關閉K2,K1 開關。第二步,給電感充電；該拓撲可使用三相定子電感中的一相導通或多相同時導通實現Boost 電路。以L1 一相電感為例,控制V4 的IGBT 導通,其他橋臂斷開,低壓樁與電感形成回路,給L1 電感充電;此時上三管的續流二極管處于截止狀態,直流鏈支撐電容給電池充電。第三步,控制V4 斷開,原回路中的電流通過V1 的反并聯二極管進行續流,充電樁、L1、V1 反并聯二極管、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,此時電池兩端電壓等于電感電壓加低壓樁電壓[4]。重復步驟二和三,實現對電池進行升壓充電,直到電池電量充滿。

3.4 電路參數匹配

假設一套150kW 電驅動系統,其輸入參數如表1,計算該系統的充電功率。

表1 系統輸入參數

根據Boost 變換器輸入輸出電壓之間的關系求出占空比D的變化范圍。

帶入表1 參數,計算得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定性與可靠性,流過電感的峰值電流通常不大于功率器件額定電流的1/2,同時避免因為電流過大造成電感飽和。

電感輸出電流可以通過公式(2)確定[5]

計算得I0=83A；對于一套峰值功率為150kW 的電驅動系統,其直流側額定電流超過100A,交流側的額定電流設計超過110A,因此I0未超過功率器件的通流能力,可以承受超過60 分鐘的充電時間。

輸出功率計算依據公式(3)

計算得Pout=66.3kW,使用400V充電樁,利用“驅動- 充電”一體化系統進行直流充電,充電功率可以達到66.4kW,相比主流的11kW 家用交流樁充電時間縮短到1/6,滿足用戶日常充電需求。

4 結論

在800V 充電樁投放滯后的過渡階段,該拓撲通過在現有電驅動系統基礎上增加少量元器件,使800V 電驅系統具備升壓充電功能,兼容400V 直流充電樁,充電速率遠高于常見的11kW 家用充電樁。該拓撲以較低的成本解決了800V 高壓系統對低壓充電樁的兼容性,也可以取代功率較低的車載充電機,配合400V 直流充電樁,進一步節省整車空間和成本,具有顯著的經濟效益。