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在設計混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 和電池電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 的動(dòng)力系統時(shí)，設計人員持續面臨著(zhù)在提高能效和可靠性的同時(shí)降低成本的壓力。雖然改用雙 12 伏和 48 伏電源軌，通過(guò)減輕底盤(pán)布線(xiàn)的重量幫助提高了能效，但設計人員還需要專(zhuān)用的解決方案來(lái)改善兩個(gè)電源的管理，使其能夠更好地相互支持，同時(shí)也使車(chē)輛能夠支持雙向車(chē)輛到電網(wǎng) (V2G) 應用。 這一需求引發(fā)了雙向轉換器和雙向功率因數校正 (PFC) 系統的開(kāi)發(fā)，設計人員可利用它們來(lái)優(yōu)化雙 12 伏/48 伏電動(dòng)汽車(chē) (EV) 設計的總體性能，以及連接到電網(wǎng)實(shí)現雙向功率流。 本文將闡述并回顧雙向電源轉換給汽車(chē)系統帶來(lái)的好處以及相關(guān)的標準。然后介紹諸如 Texas Instruments、Analog Devices 和 Infineon Technologies 這類(lèi)供應商的解決方案，并展示如何使用它們實(shí)現雙向電源轉換器。 什么是雙向電源轉換？ 在采用 12 伏/48 伏雙電壓架構的 HEV 中，雙向電源將 12 伏和 48 伏系統聯(lián)接到一起，使得任一電池可由另一個(gè)電池進(jìn)行充電。在過(guò)載條件下，它還允許每個(gè)電池為任一電壓軌提供額外的功率（圖 1）。因此，設計人員可以為每個(gè)系統使用較小的電池，從而提高可靠性、能效并降低成本。 
圖 1：雙向電源是雙電壓架構的核心，將 12 伏和 48 伏系統聯(lián)接到一起，使得任一電池可由另一個(gè)電池進(jìn)行充電，并在過(guò)載條件下提供額外的功率。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 在 BEV 中，設計人員可使用雙向 PFC 來(lái)支持雙向電池充電以及 V2G 操作。V2G 系統以多種方式支持更高的能效： · 它可以在高需求時(shí)期將能量返回電網(wǎng) · 它可以根據需要降低電池的充電速率，以幫助平衡電網(wǎng)上的負載 · 它允許使用車(chē)輛來(lái)儲存可再生能源的能量 HEV 中的雙電壓系統是車(chē)輛內的自足式系統，能夠提高燃油經(jīng)濟性，與此同時(shí)，V2G 系統中的雙向充電器專(zhuān)為實(shí)現改善燃油經(jīng)濟性以外的更廣泛成本效益而設計，而且必須與外界接口。 V2G 的實(shí)現需要使用通信技術(shù)和算法來(lái)感測電網(wǎng)狀態(tài)，還要能夠與電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施接口（圖 2）。
圖 2：除了雙向電源轉換外，V2G 系統還需要包括各種互連和通信標準。（圖片來(lái)源：Honda） 由此形成的 V2G 基礎設施帶來(lái)了諸多經(jīng)濟效益，包括能夠在需求高峰期間為電網(wǎng)提供功率（可能為車(chē)主創(chuàng )造收入），以及在電力需求較低的時(shí)段為車(chē)輛電池充電（降低車(chē)輛充電成本）。 與雙向電源轉換有關(guān)的標準 LV148/VDA320 規格定義了在雙電壓汽車(chē)系統中組合 48 伏總線(xiàn)和 12 伏總線(xiàn)的電氣要求和測試條件（圖 3）。LV148 已被德國汽車(chē)制造商奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾汽車(chē)采用，適用于常規內燃機汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。在撰寫(xiě)本文時(shí)，ISO 21780“道路車(chē)輛 — 48 V 供電電壓 — 電氣要求和測試”標準正在制定中。
圖 3：LV148/VDA320 規范定義了在雙電壓汽車(chē)系統中組合 48 伏總線(xiàn)和 12 伏總線(xiàn)的電氣要求和測試條件；圖中所示為 48 伏總線(xiàn)規格。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 有幾種通信協(xié)議可應用于 V2G 系統，包括： · ISO/IEC 15118：定義用于電動(dòng)汽車(chē)雙向充電/放電的 V2G 通信接口。該協(xié)議使用 IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) 寬帶電力線(xiàn)通信 (PLC) 規格作為最佳協(xié)議，以確保穩定的通信和高數據速率。HPGP 以 2 MHz 到 30 MHz 的頻率運行，使系統能夠區分所連接線(xiàn)路上的有效數據與其他附近來(lái)源的噪聲。 · IEC 61850：定義用于變電站智能電子設備的通信協(xié)議，該協(xié)議有助于管理可再生電力資源與電動(dòng)汽車(chē)供電設備 (EVSE)（例如充電器）之間的能量流。
圖 4：IEC 61850 定義了 V2G 系統的電源和數據流，并使用 IEEE P1901.2 HPGP PLC 規范確保穩定的通信和高數據速率。（圖片來(lái)源：IBIS） 12 伏/48 伏系統的雙向多相 DC-DC 轉換器 鑒于典型 12 伏/48 伏雙向 DC-DC 轉換器的高功率水平，往往需要使用多相拓撲。多相設計通過(guò)實(shí)現相降提高了總體轉換能效，因而可隨著(zhù)功率需求的下降而減少主動(dòng)相的數量。多相設計還能實(shí)現在每個(gè)相的輸出端使用較小的濾波器元器件；使用較小的電感器改善負載的瞬態(tài)性能。最后，以適當的交錯運行各個(gè)相可減小輸出紋波。 Texas Instruments 的 LM5170-Q1 是一款高性能的多相雙向電流控制器，適用于管理汽車(chē)雙電池系統 48 伏部分與 12 伏部分之間的電流傳輸（圖 5）。它集成了基本的模擬功能，可利用數量極少的外部元器件設計高功率的電源轉換器。多相并行工作有兩種實(shí)現方式：連接兩個(gè) LM5170-Q1 控制器實(shí)現三相或四相工作，或者多個(gè)控制器與相移時(shí)鐘同步以實(shí)現更多相位工作。
圖 5：LM5170-Q1 多相雙向電流控制器用于管理汽車(chē)雙電池系統 48 伏部分和 12 伏部分之間的電流傳輸；紅色箭頭突出顯示了雙向電流。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） LM5170-Q1 包括雙通道差分電流檢測放大器和專(zhuān)用通道電流監測計，實(shí)現了 1% 的典型電流精度。穩定的 5 安 (A) 半橋柵極驅動(dòng)器能夠驅動(dòng)功率不低于每通道 500 瓦的并聯(lián) MOSFET 開(kāi)關(guān)。同步整流器的二極管仿真模式可避免出現負向電流，而且還支持通過(guò)非連續工作模式提高輕載效率。多用途保護功能包括逐周期電流限制、高電壓和低電壓端口過(guò)壓保護、MOSFET 故障檢測和超溫保護。該控制器具有汽車(chē)功能安全能力。 Texas Instruments 提供了 LM5170EVM-BIDIR 評估模塊，供工程師在 12 伏/48 伏雙電池系統應用中評估 LM5170-Q1。兩相電路采用 180°交錯運行，均享高達 60 A 的最大 DC 電流。此評估模塊還包括各種跳線(xiàn)，可靈活、方便地配置電路以適合許多不同的用例，包括受微控制器 (MCU) 和大功率單向降壓或升壓轉換器控制的功能。 雙向轉換器的主/從多相架構 Analog Devices 提供了 LT8708 降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，可用于 12 伏/48 伏雙向電源轉換器。LT8708 是一個(gè) 80 伏同步 4 開(kāi)關(guān)降壓-升壓 DC-DC 控制器，具有雙向功能，可支持高達約 30 A 的負載電流。對于更高的電流需求，LT8708 主控制器可以與一個(gè)或多個(gè)從屬芯片組合。主/從架構的使用可以降低多相設計中的解決方案成本，因為單個(gè)（價(jià)格較高）主 IC 可以控制多個(gè)（成本較低）從屬 IC。 當從屬 IC 連接到主 IC 時(shí)，它們按比例提高系統的功率和電流能力。但重要的是，從屬 IC 應具有與 LT8708 相同的導電模式，以便能夠在與主 IC 相同的方向上傳導電流和功率。主 IC 控制 LT8708 多相系統的總體電流和電壓限制，而從屬 IC 需要遵守這些限制。 通過(guò)將四個(gè)信號連接到一起，可以輕松地將從屬 IC 與 LT8708 并聯(lián)（圖 6）。每個(gè)從屬 IC 上都提供兩個(gè)附加的電流限制（正向 VIN 電流和反向 VIN 電流），其可進(jìn)行獨立設置。
圖 6：使用 LT8708（主 IC）和從屬 IC 的三相 DC-DC 轉換器突出顯示了四個(gè)信號互連。（圖片來(lái)源：Analog Devices） Analog Devices 的 DC2719A 演示板使用 LT8708 組合關(guān)聯(lián)的從屬 IC (LT8708-1)，提供 40 A 電流。該評估板可采用正向和反向兩種模式運行�？刂破骶哂屑傻妮斎腚妷汉洼敵鲭妷悍�壓器，以及兩組用于控制正向或反向電流的輸入和輸出電流調節器。所包括的功能可簡(jiǎn)化電池/電容器備份系統和其他可能需要調節 VIN、VOUT、IIN 和/或 IOUT 的應用中的雙向電源轉換。 電網(wǎng)交互式 BEV 的雙向功率因數校正 針對電網(wǎng)交互式 BEV 的設計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板，這是一款具有雙向電源功能的 3300 瓦無(wú)橋圖騰柱功率因數校正器（圖 7）。這款無(wú)橋圖騰柱 PFC 板適用于需要高能效（約 99%）和高功率密度（每立方英寸 72 瓦）的應用。
圖 7：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 是一款 3300 瓦無(wú)橋圖騰柱 PFC 板。（圖片來(lái)源：Infineon） 通過(guò)使用寬帶隙半導體，在具有連續導通模式 (CCM) 操作的 PFC 應用中采用圖騰柱拓撲變得可行。這種情況下，Infineon 采用 TO-247 四引腳封裝的 IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET 可用于將半負載時(shí)的能效提高到 99%。該轉換器專(zhuān)門(mén)以 65 千赫茲 (kHz) 的開(kāi)關(guān)頻率，在 CCM 中的高線(xiàn)路電壓（最低 176 Vrms，標稱(chēng) 230 Vrms）下工作。 此 3300 瓦無(wú)橋雙向（PFC/AC-DC 和逆變器/AC-DC）圖騰柱是使用 Infineon 功率半導體以及 Infineon 驅動(dòng)器和控制器開(kāi)發(fā)的系統解決方案。設計中使用的 Infineon 器件包括： · 采用 TO-247 四引腳封裝的 64 毫歐 (mΩ) 650 伏 CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1)，作為圖騰柱 PFC 高頻開(kāi)關(guān) · 采用 TO-247 封裝的 17 mΩ 600 伏 CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7)，用于圖騰柱 PFC 返回路徑（低頻電橋） · 2EDF7275F 隔離式柵極驅動(dòng)器 (EiceDRIVER) · ICE5QSAG QR反激式控制器和950伏的CoolMOS P7 MOSFET（IPU95R3K7P7AKMA1）用于偏置輔助電源 · XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 微控制器，用于 PFC 控制實(shí)現 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實(shí)現的圖騰柱在 CCM 下以整流器 (PFC) 和逆變器兩種模式工作，并使用 Infineon 的 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 微控制器實(shí)現全數字控制。 結語(yǔ) 為迎合設計人員提升能效的需求，雙電壓 12 伏/48 伏架構應運而生，成為 HEV 和 BEV 的首選拓撲。這就需要高效的電源管理來(lái)優(yōu)化該架構的使用。雙向 DC-DC 轉換器和電池充電器的出現使 12 伏和 48 伏系統在其中一個(gè)需要充電的情況下或在過(guò)載條件下能夠相互支持。 同樣，對于 BEV 而言，雙向 PFC 級可支持電池與公用電網(wǎng)之間的雙向功率流。由此形成的 V2G 連接帶來(lái)的經(jīng)濟效益不僅限于改善燃油經(jīng)濟性，還包括能夠在需求高峰期間為電網(wǎng)供電，以及在電力需求較低時(shí)為汽車(chē)電池充電。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
