Cargador de a bordo para vehículos eléctricos y estructura de su circuito
Tendencia de desarrollo del cargador a bordo para vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos de nueva energía de China se están desarrollando rápidamente. En 2022, el volumen anual de ventas de vehículos eléctricos de nueva energía de China fue de 6,887 millones, un aumento interanual de 93,4%, y la cuota de mercado alcanzó 26%. Se prevé que las ventas totales de vehículos eléctricos en China superarán los 9 millones en 2023, un aumento interanual de 35%, y la tasa de penetración alcanzará los 32,6%.
En 2022, la capacidad instalada de cargadores de a bordo para vehículos eléctricos alcanzó los 5,1287 millones de conjuntos, con un aumento interanual de 77,6%. Se estima que el tamaño del mercado alcanzará los 30.000 millones de RMB en 2023, con un enorme potencial. Cuando se utilizan pilas de carga de CA para cargar, los vehículos eléctricos necesitan estar equipados con cargadores de a bordo.
Es el componente central de la conversión de energía interna del vehículo eléctrico. Puede cargar completamente el power wheels batería de forma segura y automática. Según los datos proporcionados por el sistema de gestión de la batería (BMS), puede ajustar automáticamente los parámetros de corriente y tensión de carga, a fin de dar las instrucciones correspondientes para completar el proceso de carga.
Teniendo en cuenta las limitaciones de espacio y los requisitos de seguridad de sus propios productos, los cargadores embarcados para vehículos eléctricos deben cumplir estrictos requisitos de densidad de potencia, eficiencia de carga, peso, volumen, tensión y corriente de salida, seguridad y fiabilidad. Con el fin de satisfacer las necesidades de los usuarios y los fabricantes de automóviles, los cargadores a bordo de vehículos eléctricos han experimentado muchos desafíos, tales como:
- Cómo conseguir una alta densidad de potencia en el cargador de a bordo de un vehículo eléctrico:
Requiere seleccionar una topología de circuito de alta frecuencia y alta eficiencia y optimizar el diseño de la estructura del circuito. - Cómo conseguir un flujo bidireccional de energía eléctrica para utilizar el BMS para alimentar algunos equipos de CA:
Requiere la cargador de batería para tener una topología bidireccional. - Cómo reducir el volumen con un mayor índice de potencia:
Requiere que el cargador de a bordo del vehículo eléctrico avance hacia la inteligencia y la alta integración.
Con el fin de realizar la carga rápida bidireccional de vehículos eléctricos, las pilas de carga, las baterías y los cargadores a bordo de vehículos eléctricos han experimentado mejoras técnicas.
Las pilas de carga están evolucionando rápidamente hacia la alta potencia, el alto voltaje, la bidireccionalidad, el amplio alcance y otras características. Las baterías se están perfeccionando hacia batería de alto voltaje (400V→800V) y alta potencia. Los nuevos materiales y otros aspectos también han avanzado mucho, y se están desarrollando en la dirección de la carga y descarga bidireccional, la inteligencia y la integración.
En la actualidad, existen principalmente los siguientes tipos de cargadores a bordo de vehículos eléctricos (OBC), como se muestra a continuación:
| Tipos | Breve descripción | Productos |
|---|---|---|
| OBC unidireccional | Sólo carga la batería de alimentación | 3,3 kW, 6,6 kW, 11 kW, 22 kW |
| OBC bidireccional | No sólo puede cargar la batería de alimentación, sino también realizar la función de inversor | 3,3 kW, 6,6 kW, 1 kW |
| OBC integrado | 2 en 1 (0BC+DC-DC)/3 en 1 (OBC+DCDC+PDU) | 6,5 kW+2,5 kW, 11 kW+31 kW |
En cuanto a la potencia, los productos de 3,3 kW y 6,6 kW son actualmente la corriente principal. En cuanto a la tensión de salida, los productos de cargador de a bordo para vehículos eléctricos de algunas empresas se han ido equipando gradualmente con vehículos completos de 800 V.
Además, a medida que se intensifica la competencia entre fabricantes, China ha introducido dispositivos de alimentación de carburo de silicio en los cargadores de a bordo de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, empresas como Weimax, Inpower y Xinrui Technology han lanzado soluciones de productos de a bordo para vehículos eléctricos basados en carburo de silicio.
Estructura del circuito del cargador de a bordo de un vehículo eléctrico
Los cargadores a bordo de vehículos eléctricos suelen adoptar una estructura de dos etapas (como se muestra en la figura siguiente). La etapa primaria PFC es principalmente responsable de la corrección del factor de potencia, y por lo general salidas de 400V DC. El circuito DC/DC posterior toma la energía del bus PFC para realizar las funciones de aislamiento y regulación de tensión.
Dado que la carga conectada al DC/DC es una batería, que generalmente emite una corriente continua de alto voltaje de 200-500 V, la etapa posterior debe adoptar una topología DC/DC aislada de alto rendimiento y amplio rango.
Circuito primario PFC
La topología más común en los circuitos PFC es la topología boost, que se divide en puente tradicional boost PFC, paralelo intercalado boost PFC, bridgeless boost PFC, dual bridgeless boost PFC, totem pole boost PFC, etc.
(1) Puente tradicional boost PFC:
Cuando Q1 está encendido, la trayectoria de conducción del semiciclo positivo es D1, L1, Q1, D4, y la trayectoria de conducción del semiciclo negativo es D2, L1, Q1, D3. Cuando Q1 está apagado, la trayectoria de conducción del semiciclo positivo es D1, L1, D5, Rd, D4, y la trayectoria de conducción del semiciclo negativo es D2, L1, D5, Rd, D3.
En cada estado, el número de dispositivos de conmutación es de tres, lo que tiene la ventaja de que la topología del circuito es fácil de controlar, pero sólo hay un dispositivo de conmutación Q1, y su tensión y tensión de corriente son muy grandes, lo que dificulta su uso en escenarios de alta potencia.
(2) PFC de refuerzo paralelo intercalado:
Se compone de dos convertidores PFC boost idénticos conectados en paralelo. Este circuito topológico puede reducir la inductancia del PFC. Mediante el control de las corrientes de los dos inductores de potencia para intercalar con 180 ° anti-fase, la ondulación de corriente de entrada y salida se puede reducir, y el tamaño del filtro EMI se puede reducir.
Esta topología es igual a la del puente tradicional en otras direcciones de control y potencia, pero aumenta el número de dispositivos de conmutación.
(3) PFC de refuerzo sin puente:
Se elimina el puente rectificador del PFC puenteado, lo que reduce el número de dispositivos de conmutación. Trabajando en el semiciclo positivo, cuando Q1 está apagado, la ruta de alimentación es L1, D1, Rd, Q2, L2. Cuando Q1 está encendido, la ruta de alimentación es L1, Q1, Q2, L2. Trabajando en el semiciclo negativo, cuando Q2 está apagado, la ruta de alimentación es L2, D2, Rd, Q1, L1. Cuando Q2 está encendido, la ruta de alimentación es L2, Q2, Q1, L1.
En comparación con el PFC de puente tradicional, se reducen los dispositivos de conmutación en la ruta de conducción, lo que resulta beneficioso para mejorar la eficiencia del sistema. En el caso de los dispositivos de conmutación con diodos antiparalelos, Q1 y Q2 pueden compartir una señal de conducción.
Esta topología es sencilla de controlar, pero difícil de muestrear la corriente. Además, los terminales de la tensión continua de salida son flotantes, y las interferencias de modo común generadas estarán aisladas, por lo que habrá graves problemas de EMI en el circuito.
(4) PFC doble sin puente:
Comparado con el circuito PFC sin puente, el PFC doble sin puente ha mejorado la EMI. Trabajando en el medio ciclo positivo, cuando Q1 está apagado, la ruta de alimentación es L1, D1, Rd, D4. Cuando Q1 está encendido, la ruta de alimentación es L1, Q1, D4. En el semiciclo negativo, cuando Q2 está apagado, la ruta de alimentación es L2, D2, Rd, D3. Cuando Q2 está encendido, el camino de potencia es L2, Q2, D3.
Su método de control es similar al del PFC básico sin puente. El diodo añadido reduce mucho el ruido del circuito, pero aumenta el coste del sistema.
(5) Tótem de refuerzo PFC:
Puede resolver el problema de EMI del PFC sin puente. Trabajando en el semiciclo positivo, cuando Q1 está apagado y Q2 está encendido, la ruta de alimentación es L, Q2, D2. Cuando Q2 está apagado y Q1 está encendido, la ruta de alimentación es L, Q1, Rd, D2. En el semiciclo negativo, cuando Q1 está apagado y Q2 está encendido, la ruta de alimentación es D1, Rd, Q2, L. Cuando Q1 está encendido y Q2 está apagado, la ruta de alimentación es D1, Q1, L.
El control de la topología es complicado, y el accionamiento del tubo superior tiene que ser flotante, lo que dificulta el diseño y aumenta el coste, y hay un problema de recuperación inversa en Q1 y Q2, que es fácil que aumente la pérdida del circuito.
Circuito secundario CC/CC
Los tipos de topología de circuito de los convertidores CC/CC incluyen principalmente convertidores buck, boost, buck-boost, puente completo desfasado, convertidor resonante y otras topologías de circuito, mientras que los convertidores CC/CC aislados son más adecuados para los requisitos de aplicación eléctrica del cargador de a bordo de vehículos. Entre las topologías de convertidores CC/CC aislados más comunes se incluyen el puente completo desfasado, el circuito de doble puente activo, el circuito resonante LLC, etc.
(1) Circuito de puente completo desfasado:
Puede realizar la salida de tensión de amplio rango con la tensión cero más baja. La señal de accionamiento del superbrazo Q1 y Q3 tiene una diferencia de fase de 180°, y la señal de accionamiento del brazo retrasado Q2 y Q4 va por detrás de Q1 y Q3 en una cierta fase, y los diferentes ángulos de fase entre las señales de accionamiento de control pueden hacer que la inductancia de fuga del transformador y la capacitancia de unión del tubo de conmutación resuenen, logrando la conmutación suave del tubo de conmutación.
La desventaja es que, debido a la existencia de inductancia de fuga del transformador, el lado secundario perderá el ciclo de trabajo, y el diodo del lado secundario es propenso a los picos de tensión. Además, el filtro LC necesario para la salida de esta topología aumentará el tamaño del circuito e incrementará las pérdidas.
(2) Circuito de doble puente activo:
La dirección y la magnitud del flujo de energía se controlan mediante el desplazamiento de fase de los lados primario y secundario, y se puede conseguir un encendido a tensión cero. Suele utilizarse en convertidores CC/CC bidireccionales en aplicaciones de alta potencia. Este circuito topológico tiene alta densidad de potencia, alta eficiencia y transmisión de potencia bidireccional, se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos, aeroespacial y otros campos.
(3) Circuito resonante LLC:
Puede realizar una conmutación suave, y puede realizar un mayor rango de regulación de tensión en un rango de frecuencia estrecho. Tiene buenas características de descarga de carga, y la inductancia de fuga del transformador puede reutilizarse como inductancia de excitación, por lo que el espacio de los componentes magnéticos es pequeño, y la densidad de potencia del convertidor puede mejorarse, y la eficiencia es alta y la EMI es pequeña.
