Chargeur embarqué pour véhicule électrique et structure de son circuit
Tendances de développement des chargeurs embarqués pour véhicules électriques
Les véhicules électriques à énergie nouvelle se développent rapidement en Chine. En 2022, le volume annuel des ventes de véhicules électriques à énergie nouvelle en Chine était de 6,887 millions, soit une augmentation de 93,4% en glissement annuel, et la part de marché atteignait 26%. On prévoit que les ventes totales de véhicules électriques en Chine dépasseront les 9 millions en 2023, soit une augmentation annuelle de 35%, et que le taux de pénétration atteindra 32,6%.
En 2022, la capacité installée de chargeurs embarqués pour véhicules électriques a atteint 5,1287 millions d'unités, soit une augmentation annuelle de 77,6%. On estime que la taille du marché atteindra 30 milliards de RMB en 2023, avec un potentiel énorme. Lorsqu'ils utilisent des piles de recharge en courant alternatif pour se recharger, les véhicules électriques doivent être équipés de chargeurs embarqués.
Il s'agit de l'élément central de la conversion d'énergie interne du véhicule électrique. Il peut charger complètement le batterie power wheels en toute sécurité et automatiquement. En fonction des données fournies par le système de gestion de la batterie (BMS), il peut ajuster automatiquement les paramètres de courant et de tension de charge, de manière à donner les instructions correspondantes pour achever le processus de charge.
Compte tenu des contraintes d'espace et des exigences de sécurité de leurs propres produits, les chargeurs embarqués pour véhicules électriques doivent répondre à des exigences strictes en termes de densité de puissance, d'efficacité de charge, de poids, de volume, de tension et de courant de sortie, de sécurité et de fiabilité. Afin de répondre aux besoins des utilisateurs et des constructeurs automobiles, les chargeurs embarqués pour véhicules électriques ont dû faire face à de nombreux défis :
- Comment obtenir une densité de puissance élevée pour le chargeur embarqué d'un véhicule électrique :
Il faut sélectionner une topologie de circuit à haute fréquence et à haut rendement et optimiser la conception de la structure du circuit. - Comment réaliser un flux bidirectionnel d'énergie électrique afin d'utiliser la GTB pour alimenter certains équipements à courant alternatif :
Elle exige que le chargeur de batterie pour avoir une topologie bidirectionnelle. - Comment réduire le volume en cas d'indice de puissance plus élevé :
Il faut que le chargeur embarqué du véhicule électrique évolue vers l'intelligence et l'intégration poussée.
Afin de permettre une recharge rapide et bidirectionnelle des véhicules électriques, les piles de recharge, les batteries et les chargeurs embarqués des véhicules électriques ont tous fait l'objet d'améliorations techniques.
Les piles de chargement évoluent rapidement vers des caractéristiques de haute puissance, de haute tension, bidirectionnelles, à large portée et autres. Les batteries évoluent vers batterie haute tension (400V→800V) et une puissance élevée. Les nouveaux matériaux et d'autres aspects ont également fait de grands progrès et se développent dans le sens d'une charge et d'une décharge bidirectionnelles, de l'intelligence et de l'intégration.
À l'heure actuelle, il existe principalement les types suivants de chargeurs embarqués pour véhicules électriques (OBC), comme indiqué ci-dessous :
| Les types | Brève description | Produits |
|---|---|---|
| Unidirectionnel OBC | Ne charge que la batterie d'alimentation | 3,3kW, 6,6kw, 11kW, 22kW |
| OBC bidirectionnel | Peut non seulement charger la batterie d'alimentation, mais aussi réaliser la fonction d'onduleur. | 3,3kW, 6,6kW, 1kW |
| OBC intégré | 2-en-1 (0BC+DC-DC)/3-en-1 (OBC+DCDC+PDU) | 6,5kW+2,5kW, 11kW+31kW |
En termes de puissance, les produits de 3,3 kW et de 6,6 kW sont actuellement les plus courants. En termes de tension de sortie, les chargeurs embarqués pour véhicules électriques de certaines entreprises ont été progressivement équipés de véhicules complets de 800V.
En outre, alors que la concurrence entre les fabricants s'intensifie, la Chine a introduit des dispositifs d'alimentation en carbure de silicium dans les chargeurs embarqués des véhicules électriques. Par exemple, des entreprises telles que Weimax, Inpower et Xinrui Technology ont mis sur le marché des solutions de produits embarqués pour véhicules électriques basées sur le carbure de silicium.
Structure du circuit du chargeur embarqué d'un véhicule électrique
Les chargeurs embarqués pour véhicules électriques adoptent généralement une structure à deux étages (comme le montre la figure ci-dessous). L'étage primaire du PFC est principalement responsable de la correction du facteur de puissance et produit généralement 400 V CC. Le circuit DC/DC suivant prend l'énergie du bus PFC pour réaliser les fonctions d'isolation et de régulation de la tension.
Étant donné que la charge connectée au système DC/DC est une batterie, qui produit généralement un courant continu haute tension de 200 à 500 V, l'étage suivant doit adopter une topologie DC/DC isolée à haut rendement et à large gamme.
Circuit PFC primaire
La topologie la plus courante dans les circuits PFC est la topologie boost, qui se divise en PFC boost à pont traditionnel, PFC boost parallèle entrelacé, PFC boost sans pont, PFC boost double sans pont, PFC boost à totem, etc.
(1) PFC boost à pont traditionnel :
Lorsque Q1 est allumé, le chemin de conduction du demi-cycle positif est D1, L1, Q1, D4, et le chemin de conduction du demi-cycle négatif est D2, L1, Q1, D3. Lorsque Q1 est éteint, le chemin de conduction du demi-cycle positif est D1, L1, D5, Rd, D4, et le chemin de conduction du demi-cycle négatif est D2, L1, D5, Rd, D3.
Dans chaque état, le nombre de dispositifs de commutation est de trois, ce qui présente l'avantage de faciliter le contrôle de la topologie du circuit, mais il n'y a qu'un seul dispositif de commutation Q1, et ses contraintes de tension et de courant sont très importantes, ce qui est difficile à utiliser dans des scénarios de forte puissance.
(2) PFC boost parallèle entrelacé :
Il est composé de deux convertisseurs PFC boost identiques connectés en parallèle. Ce circuit topologique peut réduire l'inductance du PFC. En contrôlant les courants des deux inducteurs de puissance pour qu'ils s'entrelacent avec un déphasage de 180°, l'ondulation du courant d'entrée et de sortie peut être réduite, ainsi que la taille du filtre EMI.
Cette topologie est identique au pont traditionnel en ce qui concerne les autres directions de contrôle et de puissance, mais le nombre de dispositifs de commutation est plus élevé.
(3) PFC d'appoint sans pont :
Le pont redresseur du PFC ponté est supprimé, ce qui réduit le nombre de dispositifs de commutation. Travaillant dans le demi-cycle positif, lorsque Q1 est éteint, le chemin d'alimentation est L1, D1, Rd, Q2, L2. Lorsque Q1 est activé, le chemin d'alimentation est L1, Q1, Q2, L2. Dans le demi-cycle négatif, lorsque Q2 est éteint, le chemin d'alimentation est L2, D2, Rd, Q1, L1. Lorsque Q2 est en marche, le chemin d'alimentation est L2, Q2, Q1, L1.
Par rapport au pont PFC traditionnel, les dispositifs de commutation sur le chemin de conduction sont réduits, ce qui permet d'améliorer l'efficacité du système. Pour les dispositifs de commutation avec diodes antiparallèles, Q1 et Q2 peuvent partager un signal de commande.
Cette topologie est simple à contrôler, mais difficile à échantillonner le courant. En outre, les bornes de la tension continue de sortie sont flottantes et les interférences en mode commun générées seront isolées, ce qui entraînera de graves problèmes d'interférence électromagnétique dans le circuit.
(4) Double PFC sans pont :
Par rapport au circuit PFC sans pont, le double PFC sans pont a amélioré l'EMI. Fonctionnant dans le demi-cycle positif, lorsque Q1 est éteint, le chemin d'alimentation est L1, D1, Rd, D4. Lorsque Q1 est allumé, le chemin d'alimentation est L1, Q1, D4. Travail dans le demi-cycle négatif, lorsque Q2 est éteint, le chemin d'alimentation est L2, D2, Rd, D3. Lorsque Q2 est allumé, le chemin d'alimentation est L2, Q2, D3.
Sa méthode de contrôle est similaire à celle du PFC de base sans pont. La diode ajoutée réduit considérablement le bruit du circuit, mais le coût du système augmente.
(5) Boost PFC à pôle totem :
Il peut résoudre le problème d'interférence électromagnétique du PFC sans pont. Fonctionnant dans le demi-cycle positif, lorsque Q1 est éteint et Q2 allumé, le chemin d'alimentation est L, Q2, D2. Lorsque Q2 est éteint et Q1 allumé, le chemin d'alimentation est L, Q1, Rd, D2. Dans le demi-cycle négatif, lorsque Q1 est éteint et Q2 allumé, le chemin d'alimentation est D1, Rd, Q2, L. Lorsque Q1 est allumé et Q2 éteint, le chemin d'alimentation est D1, Q1, L.
Le contrôle de la topologie est compliqué, et l'entraînement du tube supérieur doit être flottant, ce qui rend la conception difficile et augmente le coût, et il y a un problème de récupération inverse dans Q1 et Q2, ce qui augmente facilement la perte du circuit.
Circuit secondaire DC/DC
Les types de topologie de circuit des convertisseurs DC/DC comprennent principalement les convertisseurs buck, boost, buck-boost, pont complet déphasé, convertisseur résonnant et autres topologies de circuit, tandis que les convertisseurs DC/DC isolés conviennent mieux aux exigences des applications électriques des chargeurs embarqués dans les véhicules. Les topologies courantes de convertisseurs CC/CC isolés comprennent principalement le pont complet déphasé, le circuit à double pont actif, le circuit résonant LLC, etc.
(1) Circuit en pont complet déphasé :
Il peut réaliser une sortie de tension à large gamme avec la tension zéro la plus basse. Le signal de commande des super-bras Q1 et Q3 présente une différence de phase de 180°, et le signal de commande des bras Q2 et Q4 est en retard d'une certaine phase par rapport à Q1 et Q3. Les différents angles de phase entre les signaux de commande peuvent faire résonner l'inductance de fuite du transformateur et la capacité de jonction du tube de commutation, ce qui permet d'obtenir une commutation douce du tube de commutation.
L'inconvénient est qu'en raison de l'existence d'une inductance de fuite du transformateur, le côté secondaire perdra le cycle de travail, et la diode du côté secondaire est sujette à des pics de tension. En outre, le filtre LC requis pour la sortie de cette topologie augmente la taille du circuit et les pertes.
(2) Circuit à double pont actif :
La direction et l'ampleur du flux d'énergie sont contrôlées par le déphasage des côtés primaire et secondaire, et il est possible d'obtenir une tension nulle. Il est souvent utilisé dans les convertisseurs DC/DC bidirectionnels dans les applications à haute puissance. Ce circuit topologique présente une densité de puissance élevée, un rendement élevé et une transmission d'énergie bidirectionnelle. Il est largement utilisé dans les véhicules électriques, l'aérospatiale et d'autres domaines.
(3) Circuit résonnant LLC :
Il peut réaliser une commutation douce et une plus grande plage de régulation de la tension dans une plage de fréquence étroite. Il possède de bonnes caractéristiques de délestage et l'inductance de fuite du transformateur peut être réutilisée comme inductance d'excitation, de sorte que l'espace des composants magnétiques est réduit, la densité de puissance du convertisseur peut être améliorée, l'efficacité est élevée et les interférences électromagnétiques sont faibles.
