1 电动汽车系统概述

[音乐播放]

大家好，欢迎观看 本系列的 8 个视频，

该系列旨在 介绍如何为

电动汽车应用 设计高功率转换器。

我叫 Colin Gillmor，

是德州仪器 (TI) 的 系统工程师，

在爱尔兰的科克工作。

我将探讨此处 列出的主题。

每个主题对应一个视频。

我已经试着让资料 尽可能简单一些，

同时仍能介绍关于 如何实现此设计任务的

基本功能。

此处介绍的资料大多数

都与模拟和数字 解决方案有关，

因为要控制的功率级

是这两种解决方案通用的。

虽说如此， 我在这些视频中

重点介绍了模拟 控制器及其支持

IC。

现在，我们都 非常清楚人们

电动汽车的 需求正在快速增长。

本培训课程将 介绍典型的电动汽车系统

方框图，然后重点介绍 这些系统中的直流/直流和

PFC 应用。

因此，此视频旨在概述 电动汽车系统。

这里介绍了所有 可能的功率转换

情况，但并不是 任意给定的 EV 中

都存在所有这些情况。

车载充电器中还有 许多采用交流/直流转换的

情况。

这些会与工作负载相连。

实际上，更高 功率的应用

会通过 EVSE 连接到专用

充电站，如下文所述。

当然，一些 较低功率的应用

可能会连接到 家用电源插座这样的地方，

代价就是充电 时间显然会增加。

无线充电具有 一些吸引人的特性，

至少车辆和 充电器之间

不用连接物理线缆。

此外还可以 在所有停车场增设

无线充电点， 从而使其成为

超市或办公停车场等 整体基础设施的

一部分。

这样会更有吸引力，

因为用户可以 一边做其他事情，

一边给车辆 充电，而无需

在旁等待车辆充电。

但无线充电 实际上超出了

本演示的范围。

我不打算在这里 详细介绍它。

现实中有许多 电机驱动应用，例如

运行 BLDC 电机的逆变器， 以及空调、座椅位置调整、

水泵、动力转向 和冷却系统等等。

当然，最高的 功率水平是在

牵引电机中。

这些用于推进，

以及用于再生制动， 此类应用中使用了

高功率直流/交流 和交流/直流转换器。

同样，这些都 超出了本演示的范围。

负载点和其他 控制电子产品中

使用了很多隔离式和 非隔离式直流/直流转换器。

这些通常是 低功耗应用。

在这里，我将重点 介绍一些单向

中高功率电池充电应用，

即功率从 1 千瓦到约 3 千瓦，

并介绍选择的拓扑，

以及它们如何针对 电池充电应用进行设计。

以绿色突出 显示的应用

适用于采用 CCM PFC 的功率架构，

其后接相移全桥，

这两者都采用 模拟控制。

UCC28070-Q1 和 UCC28951-Q1 都是 TI 为这些应用

提供的主控制器。

这是电动汽车

充电系统的 系统级框图，

该系统从交流 电网中获取能量，

并用来为车载电池充电。

这里我们将 考虑两种类型的电池，

即工作电压为 12V 或 48 V的低电压

铅酸电池以及 工作电压约为 400V 的

锂离子电池。

充电器的功率 水平各不相同。

1 级充电器的电网源

通常是用户 家中的家用电源插座

等等。

对于普通的 美国接地插座而言，

从电源插座 获取的功率将会

限制在 1.92 千瓦左右。

这非常适合 夜间充电使用。

2 级是指 连接到单相

专用 208 冲程 240 伏交流连接。

通常，电流 受限于 32 欧姆。

这意味着 2 级充电器的 功率可以高达

约 19.2 千瓦。

当然，充电时间不一 而定，但通常都在

1 小时至 4 小时范围内。

要缩短充电时间， 则需要更高的充电功率。

为此，3 级充电器 使用高压直流链路

来实现 10 至 30 分钟的充电时间。

PFC 级现为非板载， 即不在车辆中。

直流链路电压 高达约 600 伏。

但此功率水平超出了 本次讨论的范围。

电动汽车服务设备，

也即 EVSE 模块，

完全实现了 符合 J1772 标准的

服务设备规范。

它位于车辆外部，

是汽油泵的 等效电气设备。

该链路就是 从充电站连接到

车辆的电缆。

当然，它不是 简单的电缆。

插头专为保障 安全而设计，

并且除了电源传输电缆外，

还包含接近 传感器和信号电缆。

该链路确保 在插头正确插入

插座之前， 电源不会开始

供电。

它还提供了 GFCI 和 接地故障电流中断，

也称为 ELCB 或 接地泄漏电流断路器，

以及其他安全功能。

接近传感器 用于防止汽车

在仍连接电缆时驶离。

信号连接允许外部 EVSE

与车辆进行通信，

从而用于计费 和电源传输电平

功能等。

车内是交流/直流 车载充电器。

此级提供功率 因数校正和高输出

电压，通常 约为 385 伏，

为了方便起见，我将 采用高达 400 伏的电压。

更高功率的充电系统 使用直流链路。

当然，交流/直流转换

由直流/直流转换取代。

真正的高功率系统 采用三相交流电源。

我们稍后将在 课程快结束时

介绍如何在 此应用中使用

模拟控制器。

要充电的电池 取决于车辆类型。

在没有牵引电机的 轻度混合动力汽车中，

可能是 12 伏 或 48 伏的大容量

铅酸电池。

或者，如果 使用牵引电机，

那么 400 伏锂 离子电池会更常见。

车载充电器 从电网中获取能量，

用于为车载电池充电。

理想情况下，它将 高效地完成此任务，

效率优于 95% 左右。

该模块将包括 功率因数校正功能

以更大限度地减少 从线路中获取的谐波电流。

它还包括各种保护功能。

OBC 的输入为 线路电流，单相 115 伏

或 230 伏。

其用途是提供 功率因数校正，

并将交流电压 转换为稳定的直流电压，

通常约为 400 伏，

然后该电压会馈入 第二级直流/直流转换器的输入。

为安全起见， 该直流/直流转换器

将包括高电平电隔离。

尽管并非总是 如此，但 OBC 通常

安装在发动机舱中。

它可能会暴露 在那里的各种恶劣

环境中。

我只想简单地谈谈效率

以及为什么我们要在效率为 98% 至 99% 的解决方案中

特别注意该器件。

或者更现实地说， 从效率为 96% 的解决方案到

效率为 97% 的解决方案， 例如此处所示就是

效率为 97% 的 480 瓦器件。

当然，顶部的图像 是热感图像，

而底部是可见光。

现在乍一看， 效率为 99%

与效率为 98% 相比 没有太大的差异。

但思考问题的方式 不应该是这样。

最好是从功率 损耗方面进行考虑。

因此，如果我们的产品 功率为 2 千瓦且效率为 99%，

我们必须在设计中 考虑 20 瓦的损耗。

但当效率为 98% 时，同样的产品具有

40 瓦的损耗。

我不必在设计时 考虑两倍的散热。

在功率不变的情况下， 随着产品体积变小，

表面面积会减小， 同时温度会升高。

这是不可避免的。

要减少温度升高， 最好的解决方案是

减少损耗。

因此，效率越高， 散热设计就越简单。

在极限情况下， 它可能允许将昂贵的

液冷系统替换为 成本更低的空气冷却系统。

第 1 部分到此结束。

本培训系列的 下一个视频是

电池充电技术简介。

[音乐播放]

大家好，欢迎观看 本系列的 8 个视频，

该系列旨在 介绍如何为

电动汽车应用 设计高功率转换器。

我叫 Colin Gillmor，

是德州仪器 (TI) 的 系统工程师，

在爱尔兰的科克工作。

我将探讨此处 列出的主题。

每个主题对应一个视频。

我已经试着让资料 尽可能简单一些，

同时仍能介绍关于 如何实现此设计任务的

基本功能。

此处介绍的资料大多数

都与模拟和数字 解决方案有关，

因为要控制的功率级

是这两种解决方案通用的。

虽说如此， 我在这些视频中

重点介绍了模拟 控制器及其支持

IC。

现在，我们都 非常清楚人们

电动汽车的 需求正在快速增长。

本培训课程将 介绍典型的电动汽车系统

方框图，然后重点介绍 这些系统中的直流/直流和

PFC 应用。

因此，此视频旨在概述 电动汽车系统。

这里介绍了所有 可能的功率转换

情况，但并不是 任意给定的 EV 中

都存在所有这些情况。

车载充电器中还有 许多采用交流/直流转换的

情况。

这些会与工作负载相连。

实际上，更高 功率的应用

会通过 EVSE 连接到专用

充电站，如下文所述。

当然，一些 较低功率的应用

可能会连接到 家用电源插座这样的地方，

代价就是充电 时间显然会增加。

无线充电具有 一些吸引人的特性，

至少车辆和 充电器之间

不用连接物理线缆。

此外还可以 在所有停车场增设

无线充电点， 从而使其成为

超市或办公停车场等 整体基础设施的

一部分。

这样会更有吸引力，

因为用户可以 一边做其他事情，

一边给车辆 充电，而无需

在旁等待车辆充电。

但无线充电 实际上超出了

本演示的范围。

我不打算在这里 详细介绍它。

现实中有许多 电机驱动应用，例如

运行 BLDC 电机的逆变器， 以及空调、座椅位置调整、

水泵、动力转向 和冷却系统等等。

当然，最高的 功率水平是在

牵引电机中。

这些用于推进，

以及用于再生制动， 此类应用中使用了

高功率直流/交流 和交流/直流转换器。

同样，这些都 超出了本演示的范围。

负载点和其他 控制电子产品中

使用了很多隔离式和 非隔离式直流/直流转换器。

这些通常是 低功耗应用。

在这里，我将重点 介绍一些单向

中高功率电池充电应用，

即功率从 1 千瓦到约 3 千瓦，

并介绍选择的拓扑，

以及它们如何针对 电池充电应用进行设计。

以绿色突出 显示的应用

适用于采用 CCM PFC 的功率架构，

其后接相移全桥，

这两者都采用 模拟控制。

UCC28070-Q1 和 UCC28951-Q1 都是 TI 为这些应用

提供的主控制器。

这是电动汽车

充电系统的 系统级框图，

该系统从交流 电网中获取能量，

并用来为车载电池充电。

这里我们将 考虑两种类型的电池，

即工作电压为 12V 或 48 V的低电压

铅酸电池以及 工作电压约为 400V 的

锂离子电池。

充电器的功率 水平各不相同。

1 级充电器的电网源

通常是用户 家中的家用电源插座

等等。

对于普通的 美国接地插座而言，

从电源插座 获取的功率将会

限制在 1.92 千瓦左右。

这非常适合 夜间充电使用。

2 级是指 连接到单相

专用 208 冲程 240 伏交流连接。

通常，电流 受限于 32 欧姆。

这意味着 2 级充电器的 功率可以高达

约 19.2 千瓦。

当然，充电时间不一 而定，但通常都在

1 小时至 4 小时范围内。

要缩短充电时间， 则需要更高的充电功率。

为此，3 级充电器 使用高压直流链路

来实现 10 至 30 分钟的充电时间。

PFC 级现为非板载， 即不在车辆中。

直流链路电压 高达约 600 伏。

但此功率水平超出了 本次讨论的范围。

电动汽车服务设备，

也即 EVSE 模块，

完全实现了 符合 J1772 标准的

服务设备规范。

它位于车辆外部，

是汽油泵的 等效电气设备。

该链路就是 从充电站连接到

车辆的电缆。

当然，它不是 简单的电缆。

插头专为保障 安全而设计，

并且除了电源传输电缆外，

还包含接近 传感器和信号电缆。

该链路确保 在插头正确插入

插座之前， 电源不会开始

供电。

它还提供了 GFCI 和 接地故障电流中断，

也称为 ELCB 或 接地泄漏电流断路器，

以及其他安全功能。

接近传感器 用于防止汽车

在仍连接电缆时驶离。

信号连接允许外部 EVSE

与车辆进行通信，

从而用于计费 和电源传输电平

功能等。

车内是交流/直流 车载充电器。

此级提供功率 因数校正和高输出

电压，通常 约为 385 伏，

为了方便起见，我将 采用高达 400 伏的电压。

更高功率的充电系统 使用直流链路。

当然，交流/直流转换

由直流/直流转换取代。

真正的高功率系统 采用三相交流电源。

我们稍后将在 课程快结束时

介绍如何在 此应用中使用

模拟控制器。

要充电的电池 取决于车辆类型。

在没有牵引电机的 轻度混合动力汽车中，

可能是 12 伏 或 48 伏的大容量

铅酸电池。

或者，如果 使用牵引电机，

那么 400 伏锂 离子电池会更常见。

车载充电器 从电网中获取能量，

用于为车载电池充电。

理想情况下，它将 高效地完成此任务，

效率优于 95% 左右。

该模块将包括 功率因数校正功能

以更大限度地减少 从线路中获取的谐波电流。

它还包括各种保护功能。

OBC 的输入为 线路电流，单相 115 伏

或 230 伏。

其用途是提供 功率因数校正，

并将交流电压 转换为稳定的直流电压，

通常约为 400 伏，

然后该电压会馈入 第二级直流/直流转换器的输入。

为安全起见， 该直流/直流转换器

将包括高电平电隔离。

尽管并非总是 如此，但 OBC 通常

安装在发动机舱中。

它可能会暴露 在那里的各种恶劣

环境中。

我只想简单地谈谈效率

以及为什么我们要在效率为 98% 至 99% 的解决方案中

特别注意该器件。

或者更现实地说， 从效率为 96% 的解决方案到

效率为 97% 的解决方案， 例如此处所示就是

效率为 97% 的 480 瓦器件。

当然，顶部的图像 是热感图像，

而底部是可见光。

现在乍一看， 效率为 99%

与效率为 98% 相比 没有太大的差异。

但思考问题的方式 不应该是这样。

最好是从功率 损耗方面进行考虑。

因此，如果我们的产品 功率为 2 千瓦且效率为 99%，

我们必须在设计中 考虑 20 瓦的损耗。

但当效率为 98% 时，同样的产品具有

40 瓦的损耗。

我不必在设计时 考虑两倍的散热。

在功率不变的情况下， 随着产品体积变小，

表面面积会减小， 同时温度会升高。

这是不可避免的。

要减少温度升高， 最好的解决方案是

减少损耗。

因此，效率越高， 散热设计就越简单。

在极限情况下， 它可能允许将昂贵的

液冷系统替换为 成本更低的空气冷却系统。

第 1 部分到此结束。

本培训系列的 下一个视频是

电池充电技术简介。