电动汽车“驱动- 充电”一体化拓扑研究

纪竹童

(华人运通(江苏)技术有限公司上海分公司,上海200000)

1 概述

随着电动汽车的普及,人们对电动汽车的充电速率提出了更高的要求。目前电动汽车普遍采用400V 电压系统,对于一台续航超过600km 的电动汽车,其电池容量超过90kwh,使用直流快充桩进行直流充电时,SOC 从10%充到90%需要1 小时,无法满足用户快速充电的需求。电池充电速率目前主要受到充电桩和充电枪的充电电流的制约。充电电流大意味着线路损耗增大,电流超过350A 后充电枪线路需要增加水冷散热,进一步加大充电线路的操作难度,充电效率降低。而提升电池电压可以在保持充电电流不变的情况下,提升电动汽车的充电速率,降低充电损耗。

目前各大整车厂已经展开了800V 电驱动系统的研究,以减少电动汽车充电时间,提升用户体验。但是充电桩作为基础设施建设,其应用和普及存在滞后性,目前的充电桩电压等级以400V 为主。在电动汽车电压从400V 向800V 过渡的过程中,需要解决800V 系统对400V 充电桩(以下称“低压桩”)的兼容性[1],也要兼顾高压系统的成本,同时还要考虑零件装配空间、车重、整车安全性等工程问题,给电驱动系统带来了很大挑战。

2 国内外研究现状

目前国内外整车厂开发的800V 高压电驱动系统,普遍采用的高压拓扑如图1 所示:

图1 800V 主流电驱动高压拓扑

高压系统拓扑中通常包含电池、车载充电机(OBC)、高压转12V 直流变换器(DCDC)、电机控制器、电机、PTC、400V 转800V升压充电模块(Boost 模块)等零部件,除电池外的其它零部件并联在高压直流母线上。

在电驱动模式下,电机控制器将电池提供的直流电转化为频率和幅值可变的三相交流电,驱动电机旋转。

在充电模式下,不同电压等级的充装桩通过充电枪连接高压系统中对应的充电口。接800V 直流充电桩(以下称“高压桩”)时,通过充电枪直接与电池内的电池管理系统(BMS)相连,实现800V 充电,最大瞬时充电功率超过300kW。充电桩输出为400V 直流时,充电枪连接到Boost 模块接口；该模块通过Boost电路,将400V 直流升压到800V 直流后,给电池充电。

以保时捷为例,保时捷Taycan 较早的采用了800V 高压系统,为了同时兼容400V 充电桩,Taycan 除了标配800V 直流充电系统,还增加了400V 到800V 的Boost(升压)充电模块。作为一项可选配置,该方案既挤占了车身空间,又增加了高压系统的开发成本和硬件成本。

3 电驱动系统升压拓扑

本文提出一种电驱动系统的“驱动- 充电”一体化拓扑,将Boost 电路与电驱动系统拓扑相结合:通过电动汽车上已有的功率器件,实现Boost 电路中的整流电路；利用电机定子电感进行滤波。该拓扑只增加少量电子器件,即可在电驱动系统基础上增加直流升压充电功能,达到简化高压系统拓扑和降低成本的目的。

3.1 Boost 电路拓扑及工作原理

BOOST 升压电路又称直流斩波电路,其工作原理是基于电感的电流不能突变这一特性,利用开关管开通和关断的时间比率,维持直流的稳定输出[2]。Boost 电路拓扑已有较多文献进行了详细研究,本文不再赘述。

3.2 电驱动系统拓扑及工作原理

电驱动系统由电机控制器、电机和减速箱组成。电机控制器的作用是将电池提供的直流电转换为三相交流电输入到电机侧,控制电机旋转、启停并对电机进行保护。电机控制器主要由直流母线电容、三相桥式逆变电路、控制电路等部分组成。其中三相桥式逆变电路由6 组IGBT 组成,通过接收控制电路发出的PWM控制信号并执行开关动作,实现逆变过程[3]。电动汽车多数使用永磁同步电机或交流异步电机,定子绕组的接线方式通常使用星形连接,为研究方便,将电机每相绕组模型等效为电感和电阻串联。由于电机控制原理已有较多文献进行了详细研究,本文不再赘述。

3.3“驱动- 充电”一体化拓扑及工作原理

通过对比Boost 升压电路拓扑图和电驱动系统拓扑可以看出,Boost 升压电路拓扑中所需的电感、功率开关、二极管、电容元件,都包含在电驱动系统拓扑中。只需要增加两个开关和少量无源器件,调整功率器件的开关策略,电驱动系统就可以实现充电功能。改造后的拓扑如图2 所示:

图2“驱动- 充电”一体化拓扑

在电驱动系统基础上,增加一个保险丝和两个开关,即可实现Boost 升压功能。电驱动系统的高压引出线P 接电池正极,引出线N 接电池负极；引出线Pile+接低压桩正极,Pile- 接低压桩负极。工作过程如下:第一步,关闭K2,K1 开关。第二步,给电感充电；该拓扑可使用三相定子电感中的一相导通或多相同时导通实现Boost 电路。以L1 一相电感为例,控制V4 的IGBT 导通,其他桥臂断开,低压桩与电感形成回路,给L1 电感充电;此时上三管的续流二极管处于截止状态,直流链支撑电容给电池充电。第三步,控制V4 断开,原回路中的电流通过V1 的反并联二极管进行续流,充电桩、L1、V1 反并联二极管、电池形成新的回路,由于电路中电流减小,电感两端电压反向,此时电池两端电压等于电感电压加低压桩电压[4]。重复步骤二和三,实现对电池进行升压充电,直到电池电量充满。

3.4 电路参数匹配

假设一套150kW 电驱动系统,其输入参数如表1,计算该系统的充电功率。

表1 系统输入参数

根据Boost 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。

带入表1 参数,计算得D=0.5；其中Vin为桩输入电压,V0为输出到电池两端电压。

为了保持电路工作的稳定性与可靠性,流过电感的峰值电流通常不大于功率器件额定电流的1/2,同时避免因为电流过大造成电感饱和。

电感输出电流可以通过公式(2)确定[5]

计算得I0=83A；对于一套峰值功率为150kW 的电驱动系统,其直流侧额定电流超过100A,交流侧的额定电流设计超过110A,因此I0未超过功率器件的通流能力,可以承受超过60 分钟的充电时间。

输出功率计算依据公式(3)

计算得Pout=66.3kW,使用400V充电桩,利用“驱动- 充电”一体化系统进行直流充电,充电功率可以达到66.4kW,相比主流的11kW 家用交流桩充电时间缩短到1/6,满足用户日常充电需求。

4 结论

在800V 充电桩投放滞后的过渡阶段,该拓扑通过在现有电驱动系统基础上增加少量元器件,使800V 电驱系统具备升压充电功能,兼容400V 直流充电桩,充电速率远高于常见的11kW 家用充电桩。该拓扑以较低的成本解决了800V 高压系统对低压充电桩的兼容性,也可以取代功率较低的车载充电机,配合400V 直流充电桩,进一步节省整车空间和成本,具有显著的经济效益。