​Технические тонкости двунаправленных зарядных устройств

-
40
​Технические тонкости двунаправленных зарядных устройств

В течение многих лет мы слышали о технологии EV, которая обещает быть очень привлекательной для потребителей: двунаправленная зарядка «от транспортного средства к сети» (V2G).

Первое условие для использования быстрого зарядного устройства постоянного тока — двунаправленное или нет — это то, что оно и EV имеют совместимые порты зарядки постоянного тока, что является скорее проблемой, чем должно быть на самом деле, так как эти порты не стандартизированы среди OEM-производителей, и часто предлагаются только в качестве дорогостоящей модернизации. Например, Nissan использует CHAdeMO, большинство других OEM-производителей используют CCS-1 в США или CCS-2 в ЕС, а Tesla может использовать любой из вышеперечисленных или свою собственную собственную конструкцию порта в зависимости от модельного года, страны продажи и конкретной прихоти заказчика. Это практически воплощение старого инженерного клише: «Стандарты — это здорово, потому что есть из чего выбирать»!

Два других критических требования к двунаправленным зарядным устройствам заключаются в том, что они должны быть гальванически изолированы от сети переменного тока, и они должны немедленно прекратить работу в качестве инвертора при потере мощности (другими словами, они не могут быть использованы в качестве резервного генератора или ИБП). Последнее также известно (несколько более печально) как «анти-приземление», сомнительное обоснование которого состоит в том, чтобы защитить работников коммунальных служб от удара электрическим током от источника питания на конце нагрузки, подаваемого обратно в сеть (несмотря на то, что работники коммунальных служб обучены обращаться со всеми проводами как с «горячими», до тех пор пока они не будут заземлены, и носить перчатки при обращении с ними). Другим общим нормативным требованием является то, что зарядное устройство должно работать с коэффициентом мощности, близким к коэффициенту единицы (т.е. оно должно использовать коррекцию коэффициента мощности, или КРМ), но эта функциональность более или менее доступна бесплатно в любом зарядном устройстве, которое является двунаправленным. На самом деле, не только двунаправленное зарядное устройство может возвращаться в сеть при коэффициенте мощности, близком к единице мощности, но и в некоторой степени корректировать плохой коэффициент мощности, по крайней мере, для нагрузок вниз по течению, а некоторые коммунальные службы даже заплатят вам за это.

Существует множество различных схем, которые можно использовать для создания изолированного двунаправленного зарядного устройства, отвечающего вышеуказанным критериям, но для краткости я сконцентрируюсь только на двух подходах: 3-фазный активный выпрямитель/инвертор передний конец (т.е. сетевой преобразователь), соединенный с задним концом двунаправленного buck/boost преобразователя (i. e. преобразователь со стороны электросети) и с изоляцией, обеспечиваемой либо (1) обычным сетевым преобразователем частоты, либо (2) вставкой высокочастотного преобразователя постоянного тока между звеньями постоянного тока, которые в противном случае напрямую соединялись бы с двумя другими преобразователями (например, между С4 и С5 на рис. 1). Основная причина выбора этой топологии заключается в том, что она является практически самой простой для двунаправленного зарядного устройства EV, которое может выполнять коррекцию коэффициента мощности в широком диапазоне напряжения тяговой батареи EV по отношению к напряжению сети. Ссылаясь на рис. 1, три источника напряжения на крайнем левом углу, V1-V3, представляют собой 3-фазную сеть переменного тока (проводную, хотя они могут быть подключены в треугольник без функциональной разницы), в то время как символ батареи на крайнем правом углу, V4, представляет тяговую батарею EV. МОП-транзисторы M1-M6, наряду с индукторами L4-L6, работают как 3-фазный повышающий преобразователь в режиме зарядки, а также как баковый преобразователь в режиме разрядки, и пока напряжение звена постоянного тока (буферизованное емкостными конденсаторами C4 и C5) выше пикового напряжения сети переменного тока, можно достичь коэффициента мощности, близкого к единице измерения. МОП-транзисторы M7 и M8, наряду с индуктором L7, состоят из двунаправленного DC-DC преобразователя, который может работать в режиме разряда, когда М7 модулирован и М8 свободно колеблется, или в режиме разряда, когда М8 модулирован и М7 свободно колеблется. Те из вас, кто уделяет пристальное внимание, заметят, что L1-L3 еще предстоит упомянуть. Эти индукторы — чаще всего называемые линейными реакторами в таком положении — неизбежно должны соответствовать требованиям по ударной волне и электромагнитной совместимости (ЭМС), поэтому они обычно приобретаются готовыми к использованию в качестве предварительно одобренных компонентов.

Остается лишь оставить в помещении пресловутого слона, который обеспечивает гальваническую развязку между сетью и электросетью, и единственный практичный способ сделать это — с помощью трансформатора. Как уже упоминалось выше, это может быть тип сетевого (и, скорее всего, 3-фазного) трансформатора, вставляемого между двунаправленным зарядным устройством и его подключением к сети, или высокочастотный (ВЧ) ферритовый тип, вставляемый между двумя другими трансформаторами. Самые большие плюсы в сетевом частотном трансформаторе в том, что он будет очень надежным и почти наверняка предварительно утвержден как отвечающий мировым стандартам безопасности, поэтому включение одного в зарядное устройство может сделать получение через тестирование агентства безопасности гораздо проще в целом. Кроме того, изоляция со стороны сети также позволяет использовать более простую схему для двунаправленного зарядного устройства (в основном ту, которая показана на рис. 1). Самым большим недостатком является то, что размеры и вес трансформатора увеличиваются по мере снижения рабочей частоты. Например, серийно выпускаемый развязывающий сеть трансформатор мощностью 15 кВА (или 15 кВт при единичном коэффициенте мощности) будет весить около 90 кг (200 фунтов) и находиться в шкафу примерно 0,5 м (20 дюймов) сбоку, в то время как недавно разработанный мною ферритовый трансформатор мощностью 12,5 кВт/200 кГц помещается на ладони и весит около 1 кг (2,2 фунта). Стоимость сетевого варианта составляет 1100 долларов, в то время как ферритовый может быть построен в скромных количествах (~100 штук) менее чем за 100 долларов. Однако сетевой трансформатор обеспечит двустороннюю изоляцию прямо из коробки и может быть легко подключен между существующим неизолированным зарядным устройством, что практически не влияет на его работу. Напротив, ферритовый трансформатор будет нуждаться в целой связке переключателей и вспомогательных схем, чтобы приводить их в действие в ВЧ-диапазоне, и все это должно быть вставлено в звено постоянного тока между активным выпрямителем/инвертором переменного тока со стороны сети и патронным/бустарным преобразователем постоянного тока со стороны электросети. Следовательно, он должен быть спроектирован в зарядное устройство с самого начала, а так как каждый ВЧ ферритовый трансформатор изготавливается на заказ, то вся нагрузка по выполнению требований агентства безопасности ляжет на OEM-производителя зарядного устройства (или на фирму, занимающуюся проектированием магнитов по субподряду на выполнение этой работы). Все это сужает ценовую разницу между этими двумя подходами, или прямо переворачивает ее, и это даже не учитывает гораздо более высокие усилия по разработке и нормативную нагрузку при движении по маршруту ВЧ ферритового трансформатора.

При проектировании двунаправленного зарядного устройства становится действительно интересно рассмотреть все схемы поддержки, необходимые для использования ВЧ ферритового трансформатора для развязки, так как схемы, выполняющие активную ректификацию/инверсию (со стороны переменного тока) и баковое/ускоренное DC-DC преобразование (со стороны электрического тока), относительно просты. Самый простой подход заключается в использовании одинаковых полных мостов с каждой стороны трансформатора, которые приводятся в движение синхронно с рабочим циклом чуть менее 50%, так что требуется небольшая фильтрация (см. рис. 2). Это позволяет энергии течь в любом направлении в любое время, эффективно превращая ее в трансформатор, работающий на постоянном токе. Фактически, электромеханическая версия этой схемы — с реле, заменяющими полупроводниковые переключатели, используемые сегодня, — использовалась для подачи ВН в вакуумные трубки в ранних автомобильных радиоприемниках. Эта топология формально известна как синхронная двунаправленная полномостовая, но чаще называется трансформатором постоянного тока, потому что это фактически то, что это такое. Применение ШИМ к этой топологии печально известно (потому что вход и выход могут перевернуться в любое время), но работа в фиксированном режиме означает, что нет никакого способа ограничить перегрузку по току, кроме как полностью отключить все переключатели одновременно. Кроме того, индуктивность трансформатора по утечке и выходные емкости выключателей могут нанести серьезный ущерб эффективности и надежности, ограничивая допустимую частоту переключения при увеличении мощности (как раз тогда, когда она нужна больше всего).

Существует множество вариантов схем, которые затрагивают некоторые или даже все вышеупомянутые недостатки — наиболее очевидным является добавление пассивных или «безубыточных» демпферов, но особенно убедительным вариантом является использование индуктивности утечки трансформатора как части последовательной резонансной сети путем добавления расчетного количества емкости (и, опционально, дополнительной индуктивности) последовательно с каждой стороной трансформатора, а затем перемещение мостовых выключателей с фиксированным рабочим циклом на результирующей резонансной частоте (см. рис. 3). Это изменяет форму волны тока от прямоугольной к синусоидальной, что резко снижает потери на переключение, а также поглощает любые другие паразитные индуктивности (кроме утечки трансформатора) в последовательные резонансные сети, устраняя необходимость в демпферах и позволяя работать с гораздо более высокой частотой. У последовательной резонансной работы есть два недостатка: выходная мощность может регулироваться только изменением частоты, поэтому она все равно не может ограничивать перегрузку по току при работе в фиксированном режиме; а стабильность резонансной частоты зависит от величины компонентов (и блужданий), не дрейфующих слишком сильно с течением времени и температурой. Обе эти проблемы предотвратили более широкое применение этой топологии, но быстрые зарядные устройства постоянного тока являются дорогостоящими и относительно небольшими по объему изделиями, поэтому вынужденная подстройка частоты в расчете на единицу не так болезненна, как это было бы, скажем, для зарядного устройства 1-го уровня.

География:
  • Без привязки
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...