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DC-DC-Wandler-Technologien für elektrische / Hybrid-Elektrofahrzeuge

DC-DC-Wandler verwenden viele verschiedene Topologien
Elektroautos überholten die mit Verbrennungsmotoren (ICE) in den frühen 1900er Jahren, aber zwanzig Jahre später waren sie fast verschwunden. Als Antwort auf die hohen Gaspreise und die vorgeschriebenen Emissions- und Kraftstoffleistungsstandards kommen sie nun zurück. Einige von ihnen werden von Autoherstellern hergestellt und einige sind Umwandlungen von einem ICE-Auto zu elektrischen Fahrzeugen, aber in jedem Fahrzeug mit einer höheren Batteriespannung als herkömmliche Fahrzeuge ist die DCDC-Umwandlung ein integraler Bestandteil der Leistungselektronik des Automobils.
Von Keith Nardone, Direktor, Business Development und Tom Curatolo, Direktor, Applications Engineering, Vicor Corporation

Herkömmliche Technologien
Gegenwärtig verwenden DC-DC-Wandler natürlich existierende technologische Designs, von denen ein grundlegender Aspekt zum Beispiel die Topologie ist. DC-DC-Wandler verwenden viele verschiedene Topologien, von denen keine in jeder Hinsicht allen anderen überlegen ist. Einige Anwendungen haben Anforderungen, die von einer bestimmten Topologie am besten erfüllt werden. Obwohl die vollständige Berücksichtigung der großen Anzahl verfügbarer Topologien eine entmutigende Aufgabe sein könnte, ist es hilfreich, die Vor- und Nachteile der beiden wichtigsten topologischen Klassen zu betrachten: Festfrequenz-Pulsweitenmodulation (PWM) und variable Frequenz quasiresonantes Nullstromschalten (ZCS) .
Von den beiden kann PWM etwas einfacher in der Konstruktion sein, aber es handelt sich inhärent um Effizienz gegen Betriebsfrequenz, beides wichtige Parameter für Elektrofahrzeuge (EV) oder Hybride (HEV). Der Hochfrequenzbetrieb wurde lange als einer der Hauptschlüssel zum Erzielen einer hohen Leistungsdichte erkannt. zB kleinere Magnetfelder, Filter und Kondensatoren. in Schaltwandler. Bei Festfrequenz-Switchmode-Wandlern steigen jedoch die Schaltverluste direkt mit der Betriebsfrequenz an, was zu der richtigen Stelle führt, die die erreichbare Leistungsdichte begrenzt. Frequenzumrichter überwinden die Frequenzgrenze, indem jedes Einschalten und Ausschalten des Schalters bei einem Strom von Null erfolgt.
Ein zweiter großer Unterschied zwischen DC / DC-Wandlern mit fester Frequenz und variabler Frequenz ist das Rauschen. wieder ein wichtiger Parameter für EVs / HEVs. generiert durch den Schalter. Das harte Umschalten der PWM erzeugt mehr Rauschen als das sanfte Schalten von ZCS.
Heutzutage ist die primäre EV / HEV-DC-DC-Wandleranwendung die Umwandlung von einer Hochspannungsbatterie auf die typische 12-Volt-Fahrzeugspannung, obwohl höhere Spannungen, wie z. B. 42 Volt für die Servolenkung, erforderlich sein können. DC-DC-Wandler. in der Regel angepasst. in dieser Anwendung verwendet typischerweise Eingänge von 250 - 450 Volt, einstellbare Ausgänge von 12,5 bis 15,5 Volt und Ausgangsleistungen von 250 W bis 3,5 kW. Die Größen und Gewichte verfügbarer DC-DC-Wandler variieren natürlich abhängig von der Betriebsfrequenz, aber auch in gewissem Maße von den Ein- und Ausgängen von Spannung und Leistung.
Mit herkömmlichen Topologien liegen die Wirkungsgrade typischerweise zwischen 80 und 90%, aber die niedrigen Leitungswirkungsgrade liegen wahrscheinlich um vier oder fünf Prozentpunkte niedriger. Infolgedessen müssen AC-DC- und einige Wide-Range-DCDC-Produkte auf der unteren Leitung gedrosselt werden.
Die Hochspannungsumwandlung in Fahrzeugen befindet sich in einem frühen Stadium. Viele technische und wirtschaftliche Herausforderungen müssen für EV- und HEV-Anwendungen gelöst werden. Die technischen Herausforderungen für einen solchen Konverter. viele von ihnen waren miteinander verbunden. umfassen Größe, Gewicht, Effizienz, elektromagnetische Verträglichkeit / elektromagnetische Störungen (EMC / EMI), Zuverlässigkeit, Hochspannungsisolierung, Wärmeableitung / Wärmemanagement und Kosten. Darüber hinaus ist natürlich eine zuverlässige Leistung in den Umgebungen von Wärme, Kälte, Schock und Vibration eines Straßenfahrzeugs gegeben.
Fortgeschrittene Technologien
DC-DC-Wandler für zukünftige EVs und HEVs erfordern eine hohe Leistungsdichte, Effizienz und Skalierbarkeit, die durch Niedrigfrequenz-Bulk-Wandler-Designs nicht kostengünstig unterstützt werden können. Während ein 2-kW-DC-DC-Wandler ein übliches Entwurfsziel sein kann, benötigen High-End-Fahrzeuge mehr Leistung, während kleinere DC-DC-Wandler mit niedrigeren Nennleistungen niedrigere Kosten für EVs und HEVs für Einsteiger bieten würden. Um diese Bandbreite des Strombedarfs zu bewältigen, wird eine flexible, skalierbare Stromsystemmethodik mit modularen Modularwandlern mit hoher Leistungsdichte, die eine effiziente Buskonvertierung, Isolation und Spannungsregelung ermöglichen, eine höhere Leistung und eine schnellere Markteinführung ermöglichen.
Solche fortschrittlichen Technologien sind verfügbar oder kommen jetzt ins Netz. Diese Kraftumwandlungsmaschinen können eine effiziente elektrische Hochspannungsverteilung in Fahrzeugen unterstützen und dem Stromsystementwickler entscheidende Vorteile bieten, einschließlich geringer Größe, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte, hoher Effizienz, Designflexibilität und schneller Reaktion auf sich ändernde elektrische Anforderungen.
Insbesondere neue Technologien zur Energieumwandlung. in Form von DC-DC-Energieumwandlungsmaschinen. Das versprechen fortschrittliche Lösungen für EV / HEV Fahrzeuge:
Nullspannungsschalt (DC / ZVS) DC-DC Wandler mit 95% Wirkungsgrad bei 1 kW / in3 Leistungsdichte; ZVS Buck-Boost Regler mit> 97% Wirkungsgrad bei 1 kW / in3; und Sine Amplitude Converter ™ Hochspannungs (SAC HV) -Buswandler mit 97% Wirkungsgrad bei 1 kW / in3.
DC / ZVS DC-DC-Wandler
Doppelklemmspannungsumrichter (DC / ZVS) (Bild 1) können einen geregelten Ausgang aus einem sehr weiten Eingangsbereich liefern. Adaptive Zellenenergiesysteme umfassen eine Vielzahl von Konvertern, die in einem Array konfiguriert sind, um eine Hochspannungs-Hochfrequenz-Leistungsverarbeitung mit einem breiten Bereich bereitzustellen. Ein Wandlerblock verwendet typischerweise zwei magnetisch gekoppelte Wandlerzellen, die selektiv in Reihe oder parallel konfiguriert sind (2). In beiden Konfigurationen wird das Gleichtaktrauschen im Wesentlichen aufgehoben, wodurch eine größere Filterherausforderung für EVs und HEVs beseitigt wird.


Adaptive Zellentopologien, die in DC / ZVS-DC-DC-Wandlern für EV / HEV-DC-DC-Wandler-Leistung verkörpert sind, können Sinus-Amplituden-Wandler (SAC) -Zellen enthalten. SAC-Motoren verwenden eine Nullspannung / Nullstromschaltung, um Schaltverluste zu eliminieren. Durch die Eliminierung von Schaltverlusten kann der SAC effizient bei relativ hohen Frequenzen betrieben werden, typischerweise im MHz-Bereich, was zu einer kleineren Produktgröße führt. Die hohe Betriebsfrequenz ermöglicht eine Miniaturisierung vieler Komponenten, wodurch die Gesamtleistungsdichte des Umrichters erhöht wird. Weiche Schaltwandler, die mit hoher Frequenz arbeiten, minimieren auch die elektromagnetische Interferenz (EMI) und die Filterkomponenten, die von hart schaltenden Wandlern benötigt werden, die mit niedriger Frequenz arbeiten.
Die SAC-Maschine wird typischerweise verwendet, um eine Buskonvertierung mit festem Spannungsverhältnis mit HV-Isolation bereitzustellen. Der DC-ZVS-Motor bietet DC-DC-Konvertierung mit Regulierung und Isolation. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen den Wirkungsgrad und die Ausgangswelligkeit für DC / ZVS-Wandler, die in einem Multi-kW-Array konfiguriert sind.


ZVS Buck-Boost Regler
ZVS-Buck-Boost-Regler bieten eine geregelte Ausgabe von einer ungeregelten Eingangsquelle. ZVS-Buck-Boost-Regler können eigenständig als nicht isolierte Spannungsregler oder kombiniert mit SAC-Stromvervielfachern verwendet werden, um isolierte DC-DC-Wandler zu erzeugen. Der Regler kann von den SAC-Stromvervielfachern weg "faktorisiert" werden, um eine erhöhte Dichte am Lastpunkt bereitzustellen, während eine effiziente Stromverteilung und Einsparungen beim Leitergewicht und den Kosten unterstützt werden. In Kombination ermöglichen diese Motoren DC-DC-Wandlersysteme mit wesentlich höherer Dichte, Flexibilität und Effizienz als herkömmliche Wandler.
ZVS Buck-Boost-Regler-Funktionen umfassen:
• Eingangs- und Ausgangsspannungen bis zu 650 VDC
• Bis zu 5: 1 Eingangsspannungsbereich
• Bis zu 5: 1 Spannungserhöhung / -untersetzung
• Umwandlungseffizienz bis zu 98%
• Skalierbar von Hunderten von Watt bis Kilowatt.
Eine einzigartige Soft-Switching-Topologie und ZVS-Steuerungsarchitektur ermöglichen einen effizienten HV-Betrieb bei 1 MHz. Die Regler können parallel geschaltet werden, um eine erhöhte Ausgangsleistung zu erreichen. Ein Merkmal der Reglersteuerungsarchitektur besteht darin, dass sich ihre Schaltsequenz weder im Buck- noch im Boost-Modus ändert. nur die relative Dauer der Phasen innerhalb jedes Betriebszyklus wird gesteuert, um eine Spannung zu erhöhen oder zu verringern.
SAC HV-Buskonverter
Wandler mit fester Übersetzung, die den SAC-HV-Bus-Wandler enthalten, sind in der Lage, eine effiziente HV-Bus-Umwandlung durchzuführen. Weitere Funktionen umfassen:
• Eingangs- und Ausgangsspannungen bis zu 650 VDC
• Bis zu 5: 1 Eingangsspannungsbereich;
• Strom-Multiplikation bis zu 200X;
• Umwandlungseffizienz bis zu 98%
• Skalierbar von Hunderten von Watt bis Kilowatt.
ZVS-ZCS-Sinus-Amplitudenwandler-Topologien mit einem niedrigen Q-Leistungszug unterstützen eine effiziente Hochfrequenzleistungsverarbeitung mit einem Festfrequenzoszillator mit einer hohen spektralen Reinheit und einer Gleichtaktsymmetrie, was zu einem im Wesentlichen rauschfreien Betrieb führt. Die Steuerungsarchitektur verriegelt die Betriebsfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Antriebsstrangs, optimiert die Effizienz und minimiert die Ausgangsimpedanz. Durch effektive Aufhebung reaktiver Komponenten kann die Ausgangsimpedanz Zout relativ niedrig sein. Um Zout weiter zu reduzieren oder um eine höhere Leistungsfähigkeit zu erreichen, können Busumsetzer mit einer genauen Stromteilung parallel geschaltet werden. Leise und stark, SAC-Bus-Wandler bieten im Wesentlichen lineare Spannungs-Strom-Wandlung mit einer flachen Ausgangsimpedanz von bis zu etwa 1 MHz.
In Kombination versprechen diese Energietechnologien überlegene Lösungen für die technischen Herausforderungen, die mit EVs und HEVs verbunden sind, einschließlich geringer Größe, geringem Gewicht, sehr hohem Wirkungsgrad, geringer EMI, Hochspannungsisolierung, Wärmemanagement, Modularität, Designflexibilität, Skalierbarkeit und Kosten. Sie können einfach parallel zu fehlertoleranten Hochleistungs-Arrays konfiguriert werden.

Quelle von: http://www.powerguru.org/dc-dc-converter-technologies-for-electrichybrid-electric-vehicles/
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