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[经验] BCM将高压电池转换为SELV系统

2020-9-5 16:22:50  732 bcm43438 SELV
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本文详细介绍了Vicor BCM转换器与常规DC-DC转换器相比的功能,操作和功能,并提出了在EV电源架构中使用时的架构实现。

纯电动(EV)和混合动力汽车的电源架构以混合电压存储和分配电源,以为各种传感,控制,安全和信息娱乐子系统供电。这给蓄电和输电网络带来了成本,空间和重量的挑战,混合动力汽车使用48V电池和48V配电系统来解决,而电动汽车使用高压电池(800V,400V)和48V配电系统来解决。
虽然48V电池可以立即提供所需的功率,但EV体系结构中的任何中间电池都会对重量,空间和成本产生不利影响。在EV电源架构中进行创新的机会是使用高压电池来保留高压能量存储的优势,同时还可以通过使用DC-DC转换器在SELV范围内传输功率来消除对中间电池的需求。常规转换器可以提供电压转换,但缺乏满足各种子系统所消耗的功率所需的快速响应时间。Vicor BCM具有较低的路径阻抗和快速的响应时间,可将高压电池转换为电力输送网络中的48V电池,从而无需中间48V电池。

图1:ICE,混合动力和EV架构中功率分配和能量存储的比较与以前的架构相比,由于各种子系统在旧版12V和新版48V上都具有动态和静态功率电平,因此与以前的架构相比,EV电源架构比较复杂输入。为了避免中间能量存储阶段的额外成本和重量,需要具有快速瞬态响应和高效率的转换器,以将高压电池转换为可以安全地分布在整个车辆中的电压。
BCM转换器BCM转换器用作固定比例转换器,其中输出电压(也称为次级侧电压)是输入电压(也称为初级侧电压)的固定部分。该固定分数可以大于,等于或小于1;称此固定分数为K因子,K因子定义为输入电压除以输出电压(VPRI / VSEC)。当K因子小于1时,输入电压按比例减小,但输入电流按比例增大。当K因子大于1时,输入电压按比例增大,而输入电流按比例减小。

K因子1/321/41/14/1
V PRI384484812
V SEC12124848
我PRI1个1个1个4
我SEC3241个1个
表1:通过K因子进行的电压与电流转换示例
从概念上讲,BCM转换器的内部操作分为三个阶段。
  • 一次侧开关级将一次侧直流输入转换为正弦波。
  • 理想的变压器级,可将AC转换为AC,并通过初级侧和次级侧之间的匝数比(K系数)缩放电压。
  • 次级侧开关级将正弦波从理想变压器转换为直流输出。开关级在变压器中正弦波的零电流,零电压交叉点处进行切换,从而最大程度地减少了因切换引起的损耗。
由于对称性以及适当的排序和控制,可以将BCM作为降压(高到低转换)或升压(低到高转换)进行操作。这种固有的双向功能使BCM能够在任一方向上以相同的效率转换功率。例如,这为从存储元件快速充电和放电的应用提供了功率转换的可能性,但是出于本文的目的,重点将放在高转换率到​​低转换率的应用上。

图2:BCM转换器的功能框图即使BCM转换器将DC转换为DC,BCM仍然使用变压器将AC高效转换为AC,将幅度按K因子换算,并使用开关模块在AC和DC之间转换。开关是在高频率下完成的,并且由于类似变压器的能量传输,转换对瞬态负载变化具有快速响应,并且在输入和输出之间呈现出低阻抗路径。
BCM转换器利用零电流,零电压开关(ZCS / ZVS),以比传统转换器更高的频率工作,例如BCM6135以1.2MHz工作,与传统ZV / ZC谐振转换器不同,BCM在狭窄的范围内工作。频段频率。BCM的高频操作可对负载电流的变化做出快速响应,并提供从输入到输出的低阻抗路径。固定比率转换,双向操作,快速瞬态响应和低阻抗路径是使BCM使384V电池看起来像48V电池的品质的集合,我们将其称为转换。与常规转换器相比,这种转换电源的能力既是关键优势,也是关键区别

电源转换BCM通过固定比例缩放将输入电压转换为输出电压,并且可以用数学公式表示为运算VOUT = K∙VIN。考虑一个48V配电系统,该系统从已充电至384V的高压电池汲取功率。48V总线上的负载的输入电压范围是电池输出的固定分数。隔离的BCM(1/8)将HVDC电池的输出转换为与48V分配兼容的电压范围。由于BCM的快速响应时间,从低压侧的任何负载的角度来看,384V电池看起来就像是在48V时放电的电池。BCM转换器有效地改造了高压电池,使整个系统整合了用于能量存储的高压电池的所有优点,

图4:高压电池的转换当1/8 K系数的BCM转换384 V电池的输出时,将创建48V虚拟电池。这种转换保留了384V电池的能量密度和瞬态功率传输能力,但其SELV电压与下游配电兼容。
现在考虑相同的应用,但使用传统的转换器,该转换器将电压范围内的输入调节为特定的输出电压,该输出电压与输入的变化解。输入上的电压波动不会传播到稳压输出。稳压转换器的低带宽会阻止配电系统像直接连接到电池一样迅速地供电。从低端的角度来看,只有理想的48V电源电压。尽管此转换很有用,但要认识两个相对的弱点。首先,较低的带宽需要在高dI / dt放电事件期间提供一些额外的中间能量存储(电容式或备用电池)以提供电流。其次,调节阶段是不必要的,因为低端负载的输入电压 是高端电池的固定部分。传统转换器不必要地进行调节–浪费能源,增加成本并降低整体系统效率。此外,稳压转换器的有限带宽会降低对配电系统中快速功耗的反应时间。
通过将电源的电压范围设计为配电中负载输入范围的固定比例,可以使用高电压(具有相关的低路径损耗优势)分配功率,而无需在系统中使用不必要的调节级使用常规转换器。更进一步,设计一个系统,其中所有电压范围(用于电源,负载和各种配电路径)彼此固定,从而可以最佳选择用于存储,配电和子系统功能的同类最佳技术。这是在高性能EV电源架构中实现的。这些系统使用锂离子电池(排列成高容量和高电压以加快充电时间),以48V分配功率(按照LV148V的SELV功率分配规范),并结合使用传统的12V高性价比子系统和最新的48V供电AI技术。BCM将所有这些电压桥接到单个高效系统中。

图5:将48V电源从高压电池去耦当传统的转换器从电池产生48V时,转换器的较低带宽无法尽快提供功率,并且在不必要的调节阶段会消耗能量。
虚拟48V电池架构EV电源体系结构可以使用BCM创建高效轻便的电源系统。作为主要能量存储单元的高压电池阵列,被降压(从高到低转换)到最有效的电压以分配电力。的
高电压阵列具有优势(与低电压阵列相比,具有能量密度和充电时间),但也具有劣势(不是SELV),这使其成为EV应用的理想之选,但对将功率分配给整个车辆的负载却很危险。取而代之的是,按照LV148规范实施电源分配系统,可以以安全电压(SELV)分配电源,该电压可以比电池的高电压更容易维护,并且与以前相比,所需的铜更少,电流更低。分布在传统的12V。

图6:EV电源架构重量轻得多,但能量存储相同,通过使用BCM,可以像使用48V虚拟电池一样使用384V电池。EV电源架构可以分配48V电源,并使用NBM将旧的12V子系统集成到更高效,更轻便的架构中。
BCM转换器反映了K因子1/8缩放的HV电池放电特性。这种虚拟电池为LV148兼容配电系统提供的动力与任何物理48V电池一样有效,但具有系统中高压电池的能量密度和相关优势。
Vicor的BCM6135转换器是隔离的,在将高电压源连接到SELV配电时提供了所需的保护,并具有超过97%的峰值效率和超过30%的额定电流工作时的96%的效率。BCM6135转换器阵列能够连续提供高达65A(超过3000W)的功率,可以在HVDC和SELV电压范围之间创建高功率转换级。BCM6135的输入范围为260V至410V,固定比率转换为1/8,可提供与48V分配兼容的输出。

图7:BCM6135效率超过输出负载电流
BCM6135的尺寸为61x35x7.5mm,并具有机箱安装或通孔安装选件,重量为68g。这种高功率密度(3400 W / in3)便于物理放置,这对于功率架构和车辆内的重量分布而言是最佳的。该封装设计为可在传导和液冷系统中运行,并且在封装的底部和顶部具有等效的散热能力,从而在安装和冷却解决方案方面提供了更大的灵活性。

图8:机箱安装BCM6135的图片
扩展48V配电尽管系统电源可以来自48V虚拟电池,但仍必须在整个车辆中分配给各种子系统负载,这些子系统负载具有不同的电源要求,并且混合使用48V和旧式12V输入。尽管以48V和12V供电的优点是显而易见的(效率更高,电缆更轻),但是这种混合随着时间的变化将如何变化尚不清楚。随着12V的边缘化,车辆电源架构必须足够灵活以适应新的子系统,同时仍要优化所有必需布线的重量和成本。
理想的解决方案是在物理上尽可能扩展48V的分布,并仅在需要的地方和时间将其转换为12V的传统需求。由于LV148规范的工作范围可以转换为具有1/4 K因子转换的12V配电兼容输入,因此BCM转换器是最大化效率的理想解决方案。此外,由于两个电压均为SELV,因此不需要隔离,并且可以使用非隔离转换器将整个系统中的48V转换为12V。与所有其他功能相同,非隔离式BCM称为NBM,具有先前描述的所有相同优点:快速瞬态响应,低阻抗和双向操作。
这种分布式电源架构具有48V分配的所有优势,同时保持了平台灵活性,可根据需要采用具有48V或12V输入的新子系统。NBM将48V输入转换为12V旧式系统的12V电源。NBM可以无处不在地集成在车辆中。物理尺寸小到足以增加现有旧子系统的位置,无论它们已经放置在哪里,如果为了将来将系统升级到本地48V子系统而将其移除,也可以将破坏降到最低。
图9:NBM2317在输出负载电流上的效率图10:表面贴装NBM2317的图片
Vicor的NBM2317尺寸为23 x 17 x 7.4毫米,重12克(不到半盎司),可以放置在最佳的位置以扩展48V分配。当工作在额定电流的30%以上时,峰值效率超过97.5%。NBM2317能够连续提供高达60A(800W)的功率,其设计是通过表面贴装兼容的封装在顶部或底部进行冷却时具有最佳的灵活性,该封装可以以最小的干扰适应现有布局。高功率密度(4500 W / in3)超出了竞争产品的模块范围,同时还比同等功率水平下的任何分立解决方案集成度更高。
BCM6135和NBM2317一起使用,可为EV电源体系结构提供灵活性,以采用48V和12V子系统的最佳组合,同时最大限度地发挥SELV 48V分配和HVDC功率存储的优势,以实现高性能EV设计的愿景。

结论当将BCM与常规转换器进行比较时,BCM转换电源(特别是电池)的能力既是关键优势,也是关键区别。如果电源架构的主电源输出电压与任何下游子系统输入电压成固定比例,则可以以最高的最佳电压分配电源,然后根据需要由BCM进行转换,而不会因不必要的调节阶段而造成损失。EV架构实现的好处是,由于将高压储能电池转换为兼容的SELV范围,从而可在整个车辆中交付,因此无需任何中间电池。虽然BCM和NBM都在EV电力系统中找到家,但其他任何由电池供电的系统,



王栋春 2020-9-5 21:40:30
讲解非常到位
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xiaojiujiu 2020-9-7 09:27:08

学习学习,感谢楼主大人的分享,每天都在提高自己
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lm12041204a 2020-9-7 09:46:23
感谢楼主分享
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