电动汽车“驱动-充电”一体化拓扑研究

2023年12月13日发(作者：济南交通违章查询网上查询)

-156-科学技术创新电动汽车野驱动-充电冶一体化拓扑研究纪竹童渊华人运通渊江苏冤技术有限公司上海分公司袁上海200000冤摘要院为提升电动汽车的充电速率袁电动汽车电驱动系统正在从400V向800V过渡袁充电桩作为基础设施建设袁其投放时间存在滞后袁目前以400V充电桩为主遥电动汽车的800V电驱动系统如何在现阶段兼容400V充电桩袁是目前行业内学者重点研究的方向遥本文在分析当前800V高压系统拓扑的工程应用现状和不足的基础上袁提出了一种应用于电动汽车的野驱动-充电冶一体化拓扑院利用电机和电机控制器实现电机驱动和直流升压充电功能遥其中升压模块中的大电感用电机绕组进行代替袁整流电路的功率器件直接应用电机控制器中的三相桥式逆变电路袁实现400V充电桩到800V高压系统的大功率升压充电袁从而简化高压系统拓扑袁节省了整车空间尧重量和成本袁具有显著经济效益遥关键词院电动汽车曰电驱动系统充电曰直流充电曰Boost电路中图分类号院TM910.6文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2021冤15-0156-02联在高压直流母线上遥在电驱动模式下袁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袁驱动电机旋转遥在充电模式下袁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遥接800V直流充电桩渊以下称野高压桩冶冤时袁通过充电枪直接与电池内的电池管理系统渊BMS冤相连袁实现800V充电袁最大瞬时充电功率超过300kW遥充电桩输出为400V直流时袁充电枪连接到Boost模块接口曰该模块通过Boost电路袁将400V直流升压到800V直流后袁给电池充电遥以保时捷为例袁保时捷Taycan较早的采用了800V高压系统袁为了同时兼容400V充电桩袁Taycan除了标配800V直流充电系统袁还增加了400V到800V的Boost(升压)充电模块遥作为一项可选配置袁该方案既挤占了车身空间袁又增加了高压系统的开发成本和硬件成本遥3电驱动系统升压拓扑本文提出一种电驱动系统的野驱动-充电冶一体化拓扑袁将Boost电路与电驱动系统拓扑相结合院通过电动汽车上已有的功率器件袁实现Boost电路中的整流电路曰利用电机定子电感进行滤波遥该拓扑只增加少量电子器件袁即可在电驱动系统基础上增加直流升压充电功能袁达到简化高压系统拓扑和降低成本的目的遥3.1Boost电路拓扑及工作原理

高压系统拓扑BOOST升压电路又称直流斩波电路袁其工作电机控制器电机原理是基于电感的电流不能突变这一特性袁利用开关管开通和关断的时间比率袁维持直流的稳定800V直流电池充电桩输出[2]遥Boost电路拓扑已有较多文献进行了详细研究袁本文不再赘述遥3.2电驱动系统拓扑及工作原理400V直流充车载400V升车载12V

车载OBCPTC电驱动系统由电机控制器尧电机和减速箱组电桩压充电模块DCDC成遥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袁控制电机旋转尧启图1800V主流电驱动高压拓扑停并对电机进行保护遥电机控制器主要由直流母高压系统拓扑中通常包含电池尧车载充电机(OBC)尧高压转线电容尧三相桥式逆变电路尧控制电路等部分组成遥其中三相桥12V直流变换器(DCDC)尧电机控制器尧电机尧PTC尧400V转800V式逆变电路由6组IGBT组成袁通过接收控制电路发出的PWM升压充电模块渊Boost模块冤等零部件袁除电池外的其它零部件并控制信号并执行开关动作袁实现逆变过程[3]遥电动汽车多数使用1概述随着电动汽车的普及袁人们对电动汽车的充电速率提出了更高的要求遥目前电动汽车普遍采用400V电压系统袁对于一台续航超过600km的电动汽车袁其电池容量超过90kwh袁使用直流快充桩进行直流充电时袁SOC从10%充到90%需要1小时袁无法满足用户快速充电的需求遥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遥充电电流大意味着线路损耗增大袁电流超过350A后充电枪线路需要增加水冷散热袁进一步加大充电线路的操作难度袁充电效率降低遥而提升电池电压可以在保持充电电流不变的情况下袁提升电动汽车的充电速率袁降低充电损耗遥目前各大整车厂已经展开了800V电驱动系统的研究袁以减少电动汽车充电时间袁提升用户体验遥但是充电桩作为基础设施建设袁其应用和普及存在滞后性袁目前的充电桩电压等级以400V为主遥在电动汽车电压从400V向800V过渡的过程中袁需要解决800V系统对400V充电桩渊以下称野低压桩冶冤的兼容性[1]袁也要兼顾高压系统的成本袁同时还要考虑零件装配空间尧车重尧整车安全性等工程问题袁给电驱动系统带来了很大挑战遥2国内外研究现状目前国内外整车厂开发的800V高压电驱动系统袁普遍采用的高压拓扑如图1所示院作者简介院纪竹童渊1987-冤袁男袁汉族袁籍贯院山东烟台袁学历院本科袁研究方向院牵引电机及其控制尧电力电子装置遥2021.15科学技术创新-157-永磁同步电机或交流异步电机袁定子绕组的接线方式通常使用星形连接袁为研究方便袁将电机每相绕组模型等效为电感和电阻串联遥由于电机控制原理已有较多文献进行了详细研究袁本文不再赘述遥3.3野驱动-充电冶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袁Boost升压电路拓扑中所需的电感尧功率开关尧二极管尧电容元件袁都包含在电驱动系统拓扑中遥只需要增加两个开关和少量无源器件袁调整功率器件的开关策略袁电驱动系统就可以实现充电功能遥改造后的拓扑如图2所示院为了保持电路工作的稳定性与可靠性袁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袁同时避免因为电流过大造成电感饱和遥电感输出电流可以通过公式渊2冤确定[5]VD?1?D?TI0?in2L渊2冤计算得I0=83A曰对于一套峰值功率为150kW的电驱动系统袁其直流侧额定电流超过100A袁交流侧的额定电流设计超过110A袁因此I0未超过功率器件的通流能力袁可以承受超过60分钟的充电时间遥输出功率计算依据公式渊3冤Pout?I0?U0渊3冤计算得Pout=66.3kW袁使用400V充电桩袁利用野驱动-充电冶一体化系统进行直流充电袁充电功率可以达到66.4kW袁相比主流的11kW家用交流桩充电时间缩短到1/6袁满足用户日常充电需求遥4结论在800V充电桩投放滞后的过渡阶段袁该拓扑通过在现有电驱动系统基础上增加少量元器件袁使800V电驱系统具备升压充电功能袁兼容400V直流充电桩袁充电速率远高于常见的11kW家用充电桩遥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袁也可以取代功率较低的车载充电机袁配合400V直流充电桩袁进一步节省整车空间和成本袁具有显著的经济效益遥参考文献[1]刘俊华袁等.纯电动汽车高低电压平台产品技术发展趋势研究[J].中国汽车袁2020渊3冤院2.[2]闫肖梅.基于电机电感等效技术野驱动-充电冶一体化控制策略研究[D].芜湖院安徽工程大学袁2018院15.[3]杨超.纯电动汽车电机控制器的设计[D].杭州院浙江工业大学袁2020院41.[4]张方禹.电动汽车高性能车载DC/DC变换器研究与设计[D].杭州院浙江大学袁2020院37.[5]沈显庆袁等.开关电源原理与设计[M].南京院东南大学出版社袁2012院223.图2野驱动-充电冶一体化拓扑在电驱动系统基础上袁增加一个保险丝和两个开关袁即可实现Boost升压功能遥电驱动系统的高压引出线P接电池正极袁引出线N接电池负极曰引出线Pile+接低压桩正极袁Pile-接低压桩负极遥工作过程如下院第一步袁关闭K2袁K1开关遥第二步袁给电感充电曰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电路遥以L1一相电感为例袁控制V4的IGBT导通袁其他桥臂断开袁低压桩与电感形成回路袁给L1电感充电;此时上三管的续流二极管处于截止状态袁直流链支撑电容给电池充电遥第三步袁控制V4断开袁原回路中的电流通过V1的反并联二极管进行续流袁充电桩尧L1尧V1反并联二极管尧电池形成新的回路袁由于电路中电流减小袁电感两端电压反向袁此时电池两端电压等于电感电压加低压桩电压[4]遥重复步骤二和三袁实现对电池进行升压充电袁直到电池电量充满遥3.4电路参数匹配假设一套150kW电驱动系统袁其输入参数如表1袁计算该系统的充电功率遥表1系统输入参数输入参数

输入电压Vin

直流电压V0

开关周期T

电感L

直流滤波电容

参数值

400V

800V

100us

70uH

500uF

参数描述