陈四川 发表于 2018-1-31 08:33

双向充放电电机控制器之大陆篇

本帖最后由 陈四川 于 2018-1-31 08:33 编辑

最近看到Chalmers University of Technology和Continental搞的一个双向逆变充放电技术,仔细研究发现和比亚迪的思路近似,但又些很多不同。今天先写写大陆的方案,下一篇对比一下比亚迪的方案。

背景

现在限制电动汽车发展的关键因素就是续航,提高续航有两个思路,一是提高电池容量和密度,二是提高充电速度,让充电变得便捷。电池方面,短期内肯定有一定的瓶颈存在。充电现在有交流慢充和直流快充两种。交流慢充用的是车载充电机,通常只有3.3kW或6.6kW,功率都偏小,适合在家充。直流快充一般在公共场合,需要建充电桩和直流电源等设施。
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那可不可以发展交流快充呢?实现交流大功率充电。想想如果实现了交流快充,各充电站只需要配大功率交流插座即可,减小了投资和占地,充电变得跟手机一样便捷了。

但交流快充的实现,需要在车上装一个大功率的充电机,成本会增加很多。很多人此时想到了车上的电机控制器(MCU),里面现成的三相主回路器件,而且在充电时,车肯定是静止的,MCU也是在一边闲置的。
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传统电车上电力电子设备配置如上图所示,车上有电机控制器、车载充电机,地面有大功率的直流充电桩。而且地面直流充电桩,为了适配不同电池电压,内部需要一个DCDC转换装置。
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大陆这套BCTS(Bidirectional Charge and Traction System)系统,如上图所示,取消了传统的车载充电机,在MCU和电池中间,加了一级DCDC,并将电机和MCU电压等级提高到了800V,电池还是维持400V。
BCTS有三种工作模式,驱动模式、充电模式、放电模式。

驱动模式
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驱动模式下,没有连接充电枪,电池通过DCDC给MCU供电。由于DCDC将电压提高到了800V高压等级,大大降低了MCU和电机的电流。同时DCDC可以根据整车工况和电池状况,实时优化直流电压,以此来降低损耗,提高功率器件的寿命,减小EMI,减少连接铜排用量,进一步降低驱动系统成本。而且高压系统讨论的越来越多,以后是趋势,所以他们的这个方案还为以后高压方案做了铺垫。

充电模式
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充电模式分两种,一是交流充电,一是直流快充。

交流充电时,电机的电感充当了网侧滤波器,MCU变成主动整流器,经过DCDC的升压,将能量送入电池。支持传统的单相交流慢充和大功率的三相交流快充。三相交流快电时的最大功率,理论上能到MCU的持续功率值,几十个kW,接近交流慢充的10倍左右。

直流快充时,由于车上已经有了DCDC,所以地面直流充电桩只需要输出恒定的电压即可,也减小了地面充电桩的投资,对于400V或800V的充电桩都适用。同时充电电压的提高,降低了充电电流,可以用重量更轻的电缆。

发电模式
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因为所有的设备都是双向的,所以可以很简单实现交流和直流发电。发电模式可以有很多场景应用,包括V2L、V2G、V2V等,受很多客户的欢迎。

综上,这是一种能实现高低压、交流和直流、快充和慢充、充电和放电等多种模式的方案。

方案实现

具体工程化的细节,资料很少。

MCU硬件方面,采用的是1200V的IGBT,电流大概225Arms,容量在200KVA左右。驱动时,MCU的开关频率10kHz;充放电时,为了提高电能质量,会提高开关频率。虽然提高了开关频率会造成发热量的增加,但由于功率小,发热在可接受的水平。

MCU软件方面,需要增加主动整流控制策略,跟传统的永磁电机控制策略相似,都是矢量控制,只是角度的检测从电机转子位置变成了电网相位。
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DCDC Booster为了减小电感的体积,采用了SiC Mos,开关频率提高到了80kHz。


电机绕组采用了发卡式,因为充放电模式需要用到电机的电感当滤波器,所以需要解开电机绕组,进行串并联重组,得到合适的感值,发卡式绕组更便于这种重组。
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绕组重组短接,采用的是接触器进行。

问题

看了大陆的介绍,当时这方案应该在还学术讨论范畴,不知大陆现在怎么评估其工程化的可能性。

我能想到的工程实践过程中还有如下问题,大家有想法欢迎留言补充。

1、充放电时,电机的绕组怎么重组?解开电机的三相绕组,并将电感并入电网,需要很多的接触器,会让系统变得很臃肿,并降低了系统的可靠性和效率。一个能绕组重组的电机,其引出端子必定很多,设计和制造难度不小。

2、 电机充放电时,怎么避免电机轴端没有转矩输出?靠算法保证,还是有物理的止锁装置?

3、受MCU主回路拓扑限制,单相充电的效率必定很低。电机绕组会发热、开关频率不高、没法做PFC、直流电容电压波动、没法隔离,这些问题会限制单相充电功能。

4、为了提高发电的电能质量,控制器输出侧还应需要一堆滤波器,这些滤波器只能在充电和发电过程中投入,在驱动时应该退出,又需要若干个开关来实现。

5、充电不再仅仅是BMS的事情了,需要整车参与,在协议和接口方面,如何适应现有的充电桩?

欢迎关注公众号: 电力电子杂谈
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袁建州 发表于 2018-2-9 09:59

很好!就是看不到图{:1_553:}

陈四川 发表于 2018-2-21 12:26

袁建州 发表于 2018-2-9 09:59
很好!就是看不到图

没办法,论坛不好上传图片,发表的时候还能看图片,后来就看不到了。

方便的话关注公众号吧。{:1_562:}

雪松知到 发表于 2018-3-16 10:54

陈四川 发表于 2018-2-21 12:26
没办法,论坛不好上传图片,发表的时候还能看图片,后来就看不到了。

方便的话关注公众号吧。{:1_562: ...

关注哪个公众号,提供下,谢谢

小吴 发表于 2018-5-25 15:42

东西很好,能不能把图片单独发我一下。学习学习一下
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