6kW模塊總體技術(shù)方案對比

1、 6kW模塊總體技術(shù)方案1、 設(shè)計背景通業(yè)公司目前采用的ACDC模塊廣泛應(yīng)用于機車的控制電源柜上，該ACDC模塊的可靠性較高，是目前公司的主流技術(shù)平臺。隨著數(shù)字電源的興起，目前充電樁行業(yè)的ACDC模塊作為風(fēng)口技術(shù)正在改變ACDC的技術(shù)方向，目前充電樁模塊的主要特點：高功率密度、高效率、高功率因數(shù)、低成本，這些特點公司的第一代ACDC模塊都不具備，為了降低成本，提高功率密度，產(chǎn)品室決定開發(fā)新一代的ACDC模塊，這個模塊采用充電樁行業(yè)的技術(shù)，可以有效提高原來的ACDC模塊的效率、功率因數(shù)，有效降低模塊的成本。2、 模塊功能及接口模塊包括2個單元：PFC單元和DCDC單元，PFC單元輸入為三相電源，

2、經(jīng)過PFC升壓控制后，輸出正負400V和0V三個電平；DCDC單元輸入為正負400V和0V，經(jīng)過隔離變換后輸出110V。PFC單元和DCDC單元之間通過SCI通信進行信息的交換以及母線調(diào)壓策略的實現(xiàn)，從而實現(xiàn)兩個單元的啟動和母線調(diào)壓等配合；模塊輸出110V電源，同時與外部監(jiān)控和模塊通信采用CAN通信方式。圖1、模塊功能框圖模塊的對外接口有四個RS232單模塊調(diào)試上位機以及程序更新使用：輸入三相電源接口、110V輸出接口、CAN通信接口，RS232串口。3、 模塊主要單元拓撲選擇ACDC模塊主要包括兩個單元PFC單元和DCDC單元，下面給出這兩個單元的主電路拓撲的選擇。3.1、PFC單元主拓撲：

3、目前充電樁的模塊基本上也是兩個單元：PFC單元和DCDC單元，對華為的充電樁模塊也進行了拆解，PFC單元采用的是三相三電平PFC，如下圖1所示。目前充電樁行業(yè)的PFC單元基本上都是采用圖1所示的三相三電平PFC，所以新的6kW模塊的PFC單元也采用相同的拓撲。圖1所示的拓撲中a、b、c三點中的電平各自都有+400V、0V、-400V三種狀態(tài)，組合在一起的狀態(tài)為3*3*3=27種；通過矢量控制S1、S2、S3的開關(guān)狀態(tài)，使得a、b、c達到上述狀態(tài)，從而使得輸入電流跟蹤輸入電壓，達到功率因數(shù)接近1的結(jié)果。目前常用的矢量控制方法為ViennaPFC控制策略，也就是常說的ViennaPFC。圖1、三相

4、三電平PFC拓撲3.2、DCDC單元主拓撲充電樁模塊的DCDC單元拓撲比較多，下面對這些拓撲進行分析，選擇一個適合6kW模塊的拓撲。、充電樁DCDC單元主拓撲A、華為充電樁DCDC單元拓撲圖2、華為充電樁模塊DCDC單元拓撲拓撲簡介：DCDC單元采用兩個相同的單元：400V輸入、輸出375V的單元串聯(lián)得到750V電源；每個400V輸入、輸出375V的單元采用3路半橋LLC并聯(lián)，這3路LLC拓撲交錯120度，從而有效減小輸出的紋波電流，減小輸出濾波電容。B、其它國內(nèi)充電樁DCDC單元拓撲圖3、其它國內(nèi)充電樁DCDC單元拓撲拓撲簡介：同華為的充電樁模塊構(gòu)架相同，采用兩個相同的單元：400V輸入、輸

5、出375V的單元串聯(lián)得到750V電源；只是這個單元的拓撲和華為的不同，圖3中每個400V輸入、輸出375V的單元采用移相全橋拓撲，通過移相控制開關(guān)管，使開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)，從而有效提高單元的開關(guān)頻率。C、艾默生充電樁模塊DCDC單元拓撲圖4、艾默生充電樁DCDC單元拓撲拓撲簡介：同上述兩個的主架構(gòu)相同，通過2個單元串聯(lián)得到750V。每個單元正負400V輸入、輸出375V的單元采用PWM移相半橋諧振控制增加控制方式：移相半橋諧振的三電平拓撲，通過PWM移相半橋諧振控制的三電平工作模式，使得開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)，有效提高效率。上述3個DCDC單元拓撲為目前充電樁行業(yè)的比較流行的拓撲，當然也有其它的LLC

6、拓撲，這里不再說明，LLC拓撲以華為的模式為主。下面從性能指標上來對比上述3種拓撲的特點。下表1為充電樁DCDC單元拓撲對比，從表中可以得到華為充電樁模塊的效率最高，成本最低，重量也是最輕的。但是存在一個缺點就是輸出電壓范圍較窄，200V-750V，這個缺點是由于LLC拓撲的天然特性決定的，因為根據(jù)LLC拓撲的調(diào)節(jié)特性，輸出電壓越低，開關(guān)管的開關(guān)頻率越高，這樣一旦輸出電壓過低，開關(guān)頻率過高，定頻調(diào)寬方式是否可以？就會出現(xiàn)開關(guān)管的損耗過大，管子熱應(yīng)力不能滿足，所以通常LLC的拓撲的輸出電壓不能從0V開始。相比較華為DCDC單元，艾默生和國內(nèi)其它的DCDC拓撲，效率略低，同時成本稍高，重量較重，但

7、是輸出電壓范圍較寬，可以從0V開始。表1、充電樁DCDC單元拓撲對比DCDC單元拓撲效率成本重量輸出電壓范圍可靠性華為DCDC拓撲96.0%0.2元/W6kg200V-750V不高其它國內(nèi)DCDC拓撲95.0%0.25元/W8kg0V-750V較高艾默生DCDC拓撲95.0%0.25元/W8kg0V-750V較高目前充電樁模塊的突出缺點就是電壓范圍較窄，不能適應(yīng)不同電壓等級的電池，如電池電壓低于200V的，充電樁模塊不能使用。目前行業(yè)也在克服這個問題，英飛源公司，目前研制的電源在50V-750V輸出。不過國內(nèi)也有不少公司開始使用移相全橋的拓撲來做，輸出電壓范圍可以在全范圍內(nèi)輸出。此外，隨著充電

8、樁模塊的大批量應(yīng)用，相對艾默生DCDC拓撲，充電樁采用LLC拓撲的DCDC單元在可靠性上存在缺陷，可靠性相對不高。、6kW模塊DCDC單元主拓撲通過上述對充電樁模塊DCDC單元的分析，了解了目前充電樁模塊DCDC的主要拓撲形式，那么新開發(fā)的6kW的模塊DCDC單元主拓撲是不是可以直接采用上述充電樁的拓撲，答案是否定的。因為充電樁模塊輸出高壓低電流750V20A，而我們的6kW模塊輸出低壓大電流110V40A，需要把上述充電樁模塊架構(gòu)更改一下，即把組成單元的輸出由串聯(lián)更改為并聯(lián)即可。下面考慮把上述充電樁模塊拓撲串聯(lián)更改為并聯(lián)，對各個方案進行對比。表2、6kW模塊DCDC單元拓撲對比DCDC單元拓

9、撲效率成本重量輸出電壓范圍可靠性華為DCDC拓撲（兩個單元輸出串聯(lián)更改為并聯(lián)）95.3%0.2元/W6kg40V-110V不高其它國內(nèi)DCDC拓撲（兩個單元輸出串聯(lián)更改為并聯(lián)）94.0%0.25元/W8kg0V-110V較高艾默生DCDC拓撲（兩個單元輸出串聯(lián)更改為并聯(lián)）94.0%0.25元/W8kg0V-110V較高艾默生DCDC拓撲（兩個單元交錯并聯(lián)）94.8%0.21元/W6.5kg0V-110V較高上表2為6kW可能采用的DCDC拓撲，華為拓撲效率較高，成本較低，重量較輕；其它國內(nèi)DCDC拓撲和艾默生DCDC單元拓撲效率低，重量較重；但是華為模塊的缺點仍然是輸出電壓的范圍問題，不能從0

10、V。艾默生DCDC單元拓撲可以實現(xiàn)全范圍的電壓輸出。把艾默生的DCDC拓撲控制方式改變一下，采用交錯并聯(lián)的方式，可以有效提高效率，降低成本，同時滿足全范圍的電壓輸出的要求。圖5、6kW模塊DCDC拓撲綜上，DCDC單元的拓撲選擇圖5所示的拓撲，在艾默生DCDC拓撲的基礎(chǔ)上，控制方式融入通業(yè)的特色，即交錯并聯(lián)，從而提高效率同時也可以在全范圍內(nèi)輸出電壓。3.3、結(jié)論通過上述的分析，PFC部分選擇通用的三相三電平PFC，控制方式采用Vienna矢量控制方式。DCDC部分采用艾默生DCDC拓撲，控制方式融入通業(yè)的交錯并聯(lián)方式。采用這樣的拓撲有如下優(yōu)點：A、 提高效率，降低成本；B、 輸出電壓可以實現(xiàn)全范圍輸出；C、 作為一個技術(shù)平臺，后續(xù)超級電容充電機更改為隔離的，可以直接使用這個拓