השימוש בממירי הספק ו- PFC דו-כיווניים לשיפור הנצילות ב- HEV‏, BEV‏ וברשת החשמל

מתכנני מערכות הספקת-כוח לרכבים חשמליים היברידיים (HEV) ורכבים חשמליים על סוללות (BEV) נמצאים תחת לחץ מתמיד לשיפור הנצילות והאמינות תוך הורדת עלות. בעוד שהמעבר לפסי הספקת-כוח כפולים של 12 וולט ו- 48 וולט עזר לשפר את הנצילות על ידי הפחתת משקל חיווט השלדה, המתכננים זקוקים לפתרונות ייעודיים לניהול טוב יותר של שני מקורות הספקת-הכוח כך שהם יכולים לתמוך טוב יותר זה בזה תוך שהם מאפשרים לרכב לתמוך ביישומי רכב-לרשת (V2G‏) דו-כיווניים.

צורך זה הוביל לפיתוח ממירים דו-כיווניים ומערכות תיקון גורם הספק (PFC) דו-כיווניות המאפשרות למתכננים למטב את הביצועים הכוללים של תכן רכב חשמלי (EV) כפול 12 וולט / 48 וולט וגם להתחבר לרשת עבור זרימת הספק דו-כיוונית.

מאמר זה מגדיר וסוקר את היתרונות של המרת הספק דו-כיוונית במערכות כלי-רכב והסטנדרטים הנלווים. לאחר מכן הוא מציג פתרונות של ספקים כמו Texas Instruments‏, Analog Devices‏ ו- Infineon Technologies ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם למימוש ממירי הספק דו-כיווניים.

מה היא המרת הספק דו-כיוונית?

ב- HEV עם ארכיטקטורה של שני-מתחים 12 וולט / 48 וולט, ספק-כוח דו-כיווני מקשר בין מערכות ה- 12 וולט ל- 48 וולט כך שניתן לטעון כל אחת מהסוללות על ידי השנייה. זה גם מאפשר לכל סוללה לספק כוח נוסף לכל פס מתח במקרה של מצב עומס-יתר (איור 1). לכן המתכננים יכולים להשתמש בסוללות קטנות יותר עבור כל אחת מהן, וכתוצאה מכך אמינות גבוהה יותר, נצילות גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר.

איור 1‏: ספק-כוח דו-כיווני שהוא בלב ארכיטקטורת שני-מתחים מקשר בין מערכות ה- 12 וולט ל- 48 וולט כך שניתן לטעון כל אחת מהסוללות על ידי השנייה ולספק כוח נוסף במקרה של תנאי עומס-יתר. (מקור התמונה: Texas Instruments)

ברכבי BEV‏, המתכננים יכולים להשתמש ב- PFC‏ דו-כיווני כדי לתמוך בטעינת סוללות דו-כיוונית, כמו גם בפעולת V2G‏. מערכת V2G תומכת בנצילות גבוהה יותר בכמה דרכים:

• היא יכולה להחזיר אנרגיה לרשת במהלך פרקי-זמן של ביקוש גבוה
• היא יכולה להפחית את קצב הטעינה של הסוללות לפי הצורך כדי לסייע באיזון העומס על הרשת
• היא מאפשרת להשתמש ברכב לאחסון אנרגיה ממקורות אנרגיה מתחדשים

בעוד שמערכות שני-מתחים ב- HEV הן עצמאיות בתוך הרכב ומשפרות את החיסכון בדלק, המטען הדו-כיווני במערכת V2G מתוכנן להביא ליתרונות עלות רחבים יותר מעבר לשיפורים בחיסכון בדלק ועליו להתממשק עם העולם החיצון.

מימוש V2G דורש טכנולוגיות ואלגוריתמי תקשורת כדי לחוש את סטטוס הרשת, כמו גם את היכולת להתממשק עם תשתית טעינת רכבים חשמליים (איור 2).

איור 2‏: בנוסף להמרת הספק דו-כיוונית, מערכות V2G חייבות לכלול תקני חיברורים ותקשורת שונים. (מקור התמונה: Honda‏)

תשתית V2G שנוצרת מביאה יתרונות כלכליים הכוללים את היכולת לספק חשמל לרשת במהלך פרקי-זמן של ביקוש שיא (פוטנציאל לייצר הכנסה עבור בעל הרכב) וטעינה של סוללות הרכב במהלך פרקי-זמן של ביקוש נמוך לחשמל (הפחתת עלויות טעינת הרכב).

תקנים הקשורים להמרת הספק כוח דו-כיוונית

מפרטי LV148/VDA320‏ מגדירים את הדרישות החשמליות ואת תנאי הבדיקה עבור שילוב אפיק 48 וולט ואפיק 12 וולט במערכות כלי-רכב עם שני-מתחים (איור 3). תקן LV148‏ אומץ על ידי יצרניות הרכב הגרמניות אאודי, ב.מ.וו, דיימלר, פורשה ופולקסווגן, והוא מיושם ברכבי בעירה פנימית קונבנציונליים וכן על רכבי HEV‏. במועד כתיבת שורות אלה, תקן ISO 21780‏ עבור "רכבי דרך - מתח הספקה של 48 וולט - דרישות ובדיקות חשמליות" נמצא בפיתוח.

איור 3‏: מפרטי LV148/VDA320‏ מגדירים את הדרישות החשמליות ואת תנאי הבדיקה עבור שילוב אפיק 48 וולט ואפיק 12 וולט במערכות כלי-רכב עם שני-מתחים, מוצג התקן עבור אפיק 48 וולט. (מקור התמונה: Texas Instruments)

ישנם מספר פרוטוקולי תקשורת היכולים להיות מיושמים במערכות V2G, כולל:

• תקן ISO/IEC 15118‏: מגדיר ממשק תקשורת V2G‏ עבור טעינה/פריקה דו-כיווניים של רכבים חשמליים. הוא משתמש במפרט Power Line Communication‏ (PLC‏) רחב-פס HomePlug Green PHY‏ (HPGP‏) IEEE P1901.2‏ כפרוטוקול הטוב ביותר להבטחת תקשורת חסונה וקצב נתונים גבוה. פועל בתדרים שבין MHz‏ 2‏ עד MHz‏ 30‏, ה- HPGP מאפשר למערכת להבחין בין נתונים תקפים על קו מחובר לבין רעש ממקורות סמוכים אחרים.
• תקן IEC 61850: מגדיר פרוטוקולי תקשורת עבור התקנים אלקטרוניים חכמים בתחנות-משנה ברשת החשמל היכולות לסייע בניהול זרימת האנרגיה בין משאבי חשמל מתחדשים לבין ציוד הספקת-כוח ברכב חשמלי (EVSE‏), כגון מטענים.

איור 4‏: תקן IEC 61850 מגדיר את זרימת הכוח והנתונים עבור מערכות V2G ומשתמש במפרט IEEE P1901.2 HPGP PLC‏ כדי להבטיח תקשורת חסונה וקצב נתונים גבוה. (מקור התמונה: IBIS)

ממירי DC-DC‏ רבי-פאזות דו-כיווניים עבור מערכות 12 וולט / 48 וולט

רמת ההספק הגבוהה של ממיר DC-DC דו-כיווני טיפוסי של 12 וולט / 48 וולט מביאה בדרך כלל לשימוש בטופולוגיה רבת-פאזות. תכן רב-פאזות משפר את נצילות ההמרה הכוללת הודות לאפשור הורדת פאזה המפחיתה את מספר הפאזות האקטיביות ככל שהביקוש להספק יורד. תכנים רבי-פאזות גם מאפשרים את השימוש ברכיבי סינון קטנים יותר ביציאות של כל פאזה, והשימוש במשרנים קטנים יותר משפר את ביצועי טרנזיינטי העומס. לבסוף, הפעלת הפאזות עם הסירוג (Interleaving) המתאים מביאה לאדוות יציאה נמוכה יותר.

ה- LM5170-Q1‏ מבית Texas Instruments הוא בקר זרם דו-כיווני עם ביצועים עיליים המיועד לנהל את העברת הזרם בין מקטע 48 וולט לבין מקטע 12 וולט במערכות עם שתי-סוללות בכלי-רכב (איור 5). הוא משלב פונקציות אנלוגיות חיוניות המאפשרות תכנון ממירים עם הספק גבוה ועם מספר מינימלי של רכיבים חיצוניים. פעולה מקבילית רבת-פאזות מושגת על ידי חיבור שני בקרי LM5170-Q1 עבור פעולת שלוש או ארבע פאזות, או על-ידי סינכרון מספר בקרים לשעונים עם הזזת פאזה עבור מספר גבוה יותר של פאזות.

איור 5: ה- LM5170-Q1‏ הוא בקר זרם דו-כיווני רב-פאזות המנהל את העברת הזרם בין מקטע 48 וולט לבין מקטע 12 וולט במערכות עם שתי-סוללות בכלי-רכב; החיצים האדומים מדגישים את זרימת הזרם הדו-כיוונית. (מקור התמונה: Texas Instruments)

ה- LM5170-Q1 כולל מגברי חישת זרם דיפרנציאליים דו-ערוציים ומנטרי זרם ערוץ ייעודיים להשגת דיוק זרם טיפוסי של 1%. דוחפי שער חצי-גשר 5 אמפר (A‏) חסונים מסוגלים לדחוף מתגי MOSFET‏ מקביליים המספקים 500 וואט או יותר לכל ערוץ. אופן אמולציית דיודה של המיישרים הסינכרוניים מונע זרמים שליליים, אך גם מאפשר פעולה באופן לא-רצוף לטובת נצילות משופרת בעומסים קלים. מאפייני הגנה ורסאטיליים כוללים הגבלת זרם מחזור-אחרי-מחזור, הגנת מתח-יתר הן ביציאות המתח הגבוה והן ביציאות המתח הנמוך, גילוי תקלות MOSFET והגנת טמפרטורת-יתר. לבקר זה יש יכולת בטיחות פונקציונלית לכלי-רכב.

חברת Texas Instruments מציעה את מודול ההערכה LM5170EVM-BIDIR‏ כך שהמהנדסים יכולים להעריך את ה- LM5170-Q1 ביישומי מערכת שתי-סוללות 12 וולט / 48 וולט. שתי הפאזות פועלות במסורג (Interleaved‏) ב- °‏180‏, והן משתפות באופן שווה זרם DC‏ מקסימלי של עד A‏ 60‏. מודול הערכה זה גם כולל מגשרים שונים ליצירה גמישה ונוחה של תצורות מעגלים שיתאימו עבור מקרי שימוש שונים, כולל היכולת להיות מבוקרים על ידי מיקרו-בקר (MCU) וממירי Buck או Boost חד-כיווניים בהספק גבוה.

ארכיטקטורה רבת-פאזות Master/Slave עבור ממירים דו-כיווניים

חברת Analog Devices מציעה את בקר מייצב ממותג Buck-Boost‏ LT8708‏ עבור שימוש בממירי הספק דו-כיווניים 12 וולט / 48 וולט. ה- LT8708 הוא בקר DC-DC‏ Buck-Boost סינכרוני 80 וולט עם 4 מתגים ויכולת דו-כיוונית המסוגל לתמוך בזרמי עומס של עד כ- A‏ 30‏. עבור צורכי זרם גבוה יותר, ניתן לשלב את בקר Master‏ LT8708 עם אחד או יותר שבבי Slave‏. השימוש בארכיטקטורת Master/Slave יכול להפחית את עלויות הפיתרון בתכנים רבי-פאזות מאחר ומעגל-משולב (IC‏) Master‏ (יקר יותר) יחיד יכול לבקר מספר מעגלים-משולבים (IC‏) Slave (עלות נמוכה יותר).

כאשר שבבי ה- Slaves‏ מחוברים לשבב ה- Master, הם מגדילים את ההספק ואת יכולת הזרם של המערכת באופן פרופורציונלי. עם זאת, חשוב של- Slave יהיו את אותם אופני הולכה כמו של ה- LT8708, כך שהוא יכול להוליך זרם והספק באותו כיוון כמו ה- Master. שבב ה- Master מבקר את גבולות הזרם והמתח הכוללים עבור מערכת רבת-פאזות LT8708‏, ושבבי ה- Slaves‏ מתאימים עצמם לגבולות אלו.

שבב Slave ניתן לחיבור בקלות במקביל ל- LT8708‏ על ידי חיבור ארבעה אותות ביחד (איור 6‏). שני גבולות זרם נוספים (זרם _IN‏V קדימה וזרם _IN‏V אחורה) קיימים על כל שבב Slave שניתן להגדירם באופן בלתי-תלוי.

איור 6: ממיר DC-DC תלת-פאזי המשתמש ב- LT8708‏ (Master) ובשבבי Slave מדגיש את ארבעת חיברורי האותות. (מקור התמונה: Analog Devices)

לוח ההדגמה DC2719A‏ מבית Analog Devices משתמש ב- LT8708 בשילוב עם שבב Slave‏ (LT8708-1) כדי לספק זרם של A‏ 40‏. הלוח יכול לפעול באופנים קדימה ואחורה כאחד. לבקר יש מייצבי מתח כניסה ומתח כניסה משולבים, ושתי קבוצות של מייצבי זרם כניסה ויציאה המבקרים את זרימת הזרם בכיוון קדימה או אחורה. כלולים גם מאפיינים המפשטים המרת הספק דו-כיוונית במערכות גיבוי סוללה/קבל וביישומים אחרים העשויים להזדקק לייצוב _IN‏V‏, _OUT‏V‏, _IN‏I‏ ו/או _OUT‏I‏.

תיקון גורם הספק דו-כיווני עבור רכבי BEV‏ אינטראקטיביים עם רשת החשמל

עבור המתכננים של רכבי BEV‏ אינטראקטיביים עם רשת החשמל, חברת Infineon מציעה את לוח ההערכה EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1‏, מתקן גורם הספק Totem-Pole ללא-גשר W‏3,300‏ עם יכולת הספקת-כוח דו-כיוונית (איור 7‏). לוח PFC‏ Totem-Pole ללא-גשר זה מיועד עבור יישומים הדורשים נצילות גבוהה (כ- 99%) וצפיפות הספק גבוהה (72 וואט לאינץ' מעוקב).

איור 7‏: ה- EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 הוא לוח PFC‏ Totem-Pole ללא-גשר W‏ 3,300‏. (מקור התמונה: Infineon)

טופולוגיית Totem-Pole ביישומי PFC‏ עם פעולת אופן הולכה רצופה (CCM‏) נעשית אפשרית הודות לשימוש במוליכים-למחצה עם Bandgap רחב. במקרה זה, ה- IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET במארז TO-247 עם ארבעה פינים משמש כדי לדחוף את הנצילות ל- 99% בחצי עומס. הממיר פועל אך ורק במתח קו גבוה (מינימום 176 וולט RMS‏, 230 וולט RMS נומינלי) באופן CCM עם תדר מיתוג של 65 קילוהרץ (kHz‏).

ה- Totem Pole‏ הדו-כיווני (PFC/AC-DC ו- AC-DC‏/ממיר) ללא-גשר W‏ 3,300‏ הוא פיתרון מערכת שפותח עם מוליכים-למחצה להספק מבית Infineon, כמו גם דוחפים ובקרים מבית Infineon. התקני Infineon המשמשים בתכן כוללים:

• רכיב MOSFET‏ CoolSiC‏ 650 וולט 64 מילי-אוהם (mΩ‏) (IMZA65R048M1‏) במארז TO-247 עם ארבעה פינים כמתגי תדר גבוה PFC‏ Totem-Pole‏
• רכיב MOSFET‏ C7‏ CoolMOS‏ 600 וולט mΩ‏ 17‏ (IPW60R017C7‏) במארז TO-247 עבור מסלול החזרה של ה- PFC‏ Totem-Pole (גשר תדר-נמוך)
• דוחפי שער מבודדים 2EDF7275F‏ (EiceDRIVER)
• בקר Flyback‏ QR‏ ICE5QSAG וה- MOSFET‏ וה- CoolMOS P7‏ 950 וולט (IPU95R3K7P7AKMA1‏) עבור ספק-כוח עזר עם ממתח
• מיקרו-בקר מבית Infineon‏ XMC1404Q048X0200AAXUMA1 עבור מימוש בקרת PFC‏

ה- Totem Pole‏ הממומש בלוח EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 פועל ב- CCM‏ באופני מיישר (PFC‏) ומהפך כאחד, עם מימוש בקרה דיגיטלית מלאה באמצעות המיקרו-בקר XMC1404Q048X0200AAXUMA1 מבית Infineon.

סיכום

עבור מתכננים המבקשים לשפר את הנצילות, ארכיטקטורות עם שני-מתחים 12 וולט / 48 וולט התפתחו כטופולוגיה הנבחרת עבור רכבי HEV‏ ו-BHV‏. זה יצר צורך בניהול הספקת-כוח יעילה כדי למטב את השימוש בהם. ממירי DC-DC דו-כיווניים ומטעני סוללות פותחו כדי לאפשר למערכות 12 וולט ו- 48 וולט לתמוך זו בזו במקרים בהם יש צורך להטעין אותם, או במקרה של תנאי עומס-יתר.

כמו כן, במקרה של רכבי BEV‏, דרגת PFC דו-כיוונית תומכת בזרימת הספק דו-כיוונית בין הסוללה לבין רשת החשמל. חיבור ה- V2G המתקבל מביא יתרונות כלכליים מעבר לשיפורים בחיסכון בדלק, כולל יכולת לספק חשמל לרשת במהלך פרקי-זמן של ביקוש שיא, וטעינה של סוללות הרכב במהלך פרקי-זמן של ביקוש נמוך לחשמל.

המלצות לקריאה נוספת

1. השימוש בממירי הספק מיוחדים כדי לגשר על הפער בין מערכות V‏ 12‏ ל- V‏ 48‏ בכלי-רכב
2. חיבור רכבים חשמליים לרשת החשמל לטובת יציבות ובטיחות