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采用基于 SiC 的双向车载充电机为电网反馈电能

发布时间:2019-11-06 责任编辑:wenwei

【导读】长期以来,里程焦虑和充电设备有限一直是电动汽车普及的主要障碍。即使汽车制造商已经证明其电池可以支持更长距离的行驶,并且充电站数量也已经激增,但电动汽车充电仍然存在诸多挑战,不过这同时也为平衡电网负荷提供了机遇。
 
采用基于 SiC 的双向车载充电机为电网反馈电能
 
向电动汽车的转型同时也意味着要研究如何更好地与电网的互动。电动汽车配备了重量更轻、功率密度更高的电池,不仅可以增加行驶里程,并且还有可能用于支持独立负载。同时,车载充电机(OBC)向双向能量传输方向的更新演进,使得 OBC 既能从电网获取电能,又可将电能反馈至电网。
 
Wolfspeed 屡获殊荣的 6.6 kW 双向 OBC,基于其新型 650 V 碳化硅(SiC)MOSFET,能够在电动汽车和为其供电的电网的发展演进中发挥至关重要作用。
 
OBC 的单向挑战
 
除了在最崎岖和最偏僻的地区外,燃油车驾驶员很少担心汽车在加油站之间没油。但电动汽车自问世以来,就一直有着对于行驶里程的担忧。尽管充电站正在变得越来越普遍,并被集成到新的住宅开发中,但电动汽车可以跑多远、电池容量以及电量保持时间仍是有待改进的领域。
 
OBC 的数量在不断增长,并且随着电动汽车本身的发展而发展,但 OBC 的功率没有快速充电机那么大。快速充电机可在一个小时左右的时间为汽车充好电,而 OBC 则需六至七个小时。单向OBC 的一个更大缺点是,停驶的车辆会慢慢放电,这既浪费了电能,也浪费了金钱。但此问题也倒逼出一种解决方案。它为电动汽车打开了向电网反馈电能的大门,而不是让能量缓慢“泄漏”。双向能量传输的 OBC 不仅可从电网中获取电能,且可以反馈能量至电网。从而使得一辆电动汽车可以助力一座城市整体电力基础设施的负载平衡。
 
双向性同时也对需要充-放电循环的车载电池有好处,而不是总以 80%的电量充电。车载电池最好也要偶尔完全放电,这与智能手机的情况很相似。在大多数情况下,保持电池充满电也就意味着你的所有组件始终处于充电状态,这会缩短其使用寿命。这也就意味着要提前更换电池,和智能手机一样,这是件很费钱的事。在理想条件下,OBC 应该可以在汽车电量剩下 30%的时候智能感测到这一情况的发生,然后通过将这些剩余电能反馈至住宅所在电网以及再将汽车重新充满电,从而进行电池的充-放电循环。
 
采用双向 OBC 的目的是期望可以在传送过程中以最小的损耗有效地来回传送电能。尽管有多种解决方案选择,但 Wolfspeed SiC MOSFET 在优化双向 OBC 方面仍然比其它器件有着更多优势。
 
OBC 的电网供电机会
 
OBC 解决了由于充电站基础建设和非车载充电机配备有限而引发的担忧。非车载充电机虽然速度快,但只能在充电站使用,并且有时候它们还是专有的或有使用限制的。此外,每天花在前往充电站及等待的时间,就通勤而言,时间成本显得有些得不偿失。
 
尽管 OBC 比充电站的非车载充电更具优势,但其充电速度较慢,这意味着需要夜晚在家里或白天上班时充电,这与大多数人给其智能手机充电的方式相同。这就是为什么 OBC 车辆中的电池需要循环使用的原因,这也使得双向充电水到渠成。
 
在中国,双向 OBC 实际上将汽车变成了一个移动电源,这成为对客户的一个有价值的卖点。
 
双向 OBC 可能实现的另一种应用场景是,可将多辆汽车在一个电力网络中互联互接,以产生大量电能为电网供电。个人可以在夜间以低费率“购买”电能,再在白天以高价“卖”回。
 
当今的双向 OBC 可以是基于绝缘栅双极晶体管(IBGT-)或碳化硅(SiC-)的。 SiC 器件是 OBC的最佳解决方案,因为与 Si 器件相比,它们尺寸更小、整体系统成本更低、效率更高。
 
高效双向 OBC 的 SiC 解决方案
 
鉴于 SiC 的诸多优势,Cree 旗下 Wolfspeed 着手设计基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 双向电动汽车OBC。
 
设计的目标是开发出一种具有高功率密度的高效双向 OBC,可用于支持独立负载并反馈电网电能。一种数字控制的参考设计实现了这一诉求,其连续导通模式(CCM)图腾柱(totem pole)PFC 的开关频率为 67 kHz、CLLC 谐振变换器的开关频率为 150-300 kHz,可实现 54 W/in3的功率密度和高于 96.5%的峰值效率。
 
鉴于需要优化电动汽车的空间和重量,高密度和效率最大化就变得至关重要。Wolfspeed 的 OBC方案由双向 AC-DC 转换器和绝缘型的双向 DC-DC 转换器组成,能够在充电和放电模式下均能提供高效率和宽输出电压范围。
 
为了降低传输损耗,Wolfspeed 避开了传统的 PFC 升压转换器,因为二极管桥式整流器的损耗大,也不支持双向操作。由于 SiC MOSFET 的体二极管具有良好的反向恢复性能,因此可以使用交错式 CCM 图腾柱 PFC 作为 6.6 kW OBC 的前级。
 
设计 OBC 时,热管理也至关重要。通常,将 TO-247 封装的 MOSFET 反向组装在 PCB 上,然后安装在平坦的冷却基板上。但是,由于 MOSFET 向下弯曲,因此 PCB 面积增加了。这会对系统的整体功率密度产生不良影响。因此,使用了工具化的散热器来容纳半导体和磁性材料。通过将功率
 
半导体安装在散热器的外侧,可以实现垂直 MOSFET 组装,从而减小了 PCB 的面积。然后,使用散热片槽隙内的导热胶灌封磁性材料。最终实现工具化铝制散热器到系统冷却基板间较低的热阻。
 
基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 双向 OBC 转换器在充电和放电模式下的实验结果表明,其效率和功率密度都很高,因此双向 OBC 不仅可以高效地对电池进行充放电循环,还可以更有效地将电能反馈至电网。
 
高能效原型
 
通过设计和评估在 6.6kW 双向 OBC 方案中采用其新型 650 V SiC MOSFET,Wolfspeed 展示了为开发 OBC,如何在 250-450 V 的普通电池电压范围内,将直流母线电压范围优化为 385-425 V。
 
此外,实验样机验证了该设计的性能和热完整性。由于 650 V SiC MOSFET 的低功率损耗,以及通过将功率半导体和功率磁性元件集成在同一工具化散热器上,我们可以在双向高功率转换应用(例如 OBC)中可以实现高功率密度和高效率。
 
关于此参考设计和其它相关的更多信息,敬请访问 Wolfspeed 参考设计页面。
 
 
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