电动汽车中若干电力电子问题徐德鸿浙江大学 2016 年 11 月 26 日, 上海 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 1 20

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2 电动汽车中若干电力电子问题徐德鸿浙江大学 2016 年 11 月 26 日, 上海 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 1 20

3 巴黎协议 2016 年 11 月 4 日巴黎协议正式生效巴黎协议得到 197 国家支持中国计划 2030 年左右二氧化碳排放达到峰值, 到 2030 年非化石能源占一次能源的 20% Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL and Dr. Ralph Keeling, Scripps Institution of Oceanography CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 2 20

4 汽车 CO2 减排目标到 2025 年, 每公里油耗将减少到 75 克, 为目前的 1/2 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 3 20

5 Savagian, GM, ECCE2014, Pittsburgh 汽油与 ( 电池费用 + 电价 ) 电池寿命 :10 年,24 万公里电池使用里程数 :4km/kWh*40kWh*1500 次 =24 万公里 40kWh 电池价格 =$1.6 万 =10 万元电费 : 0.6 元 /kwh*40kwh*1500 次 =3.6 万元 = 汽油费用 :24 万公里 *0.1L/km*6 元 /L =14.4 万元电动汽车是购置费用高, 但使用费用低! CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 4 20

6 宽禁带器件宽禁带半导体材料 SiC: 碳化硅 GaN: 氮化镓 GaN SiC E C 临界电场强度 SiC vs. Si 耐压 :10 倍热导率 :3 倍结温 >300 度高效率小型化低成本 Si Si Si GaN SiC 导热系数禁带宽度 E SiC G GaN CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 5 20

7 SiC 功率器件的优势 60% IGBT SiC IGBT SiC 功率器件损耗系统物料成本下降 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 6 20

8 逆变器效率 vs. dc =312V; fs=10khz; Tj=125 IGBT Module: Infineon FS200R07A1E3 SiC MOS: CREE CAS300M12BM2 (1.2kV,300A) IGBT SiC MOS Efficiency (%) Output power (kw) SiC MOSFET 逆变器具有较好的轻载效率 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 7 20

9 超高功率密度逆变器 35kW SiC MOSFET inverter, Power Density:70kW/liter, Yamaguchi, IHI, 2016 空隙 <2.7% 将铜散热器直接焊接铜基板上, 减少了 60% 热阻 CLEAN ENERGY VEHICLE 不使用 SBD, CHARGING SiC 采用同步整流 AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 8 20

10 电机驱动逆变器的功率密度 Zheng, APEC2016 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 9 20

HEV 大功率 Bi-DC/DC @V bus =600V, V bat =375V,P=40kW, f

11 HEV 大功率 bus =600V, V bat =375V,P=40kW, f s =20kHz Boost mode 目前效率在 95-97% 左右, 功率密度 6kW/l 采用用 SiC 器件将损耗减少 1/2 CLEAN ENERGY 无源元件减小 VEHICLE CHARGING, 功率密度显著提升 AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 10 20

12 辅助电源 Vin= 200V-375V Vo=13V Po=1.5kW fs=100khz 挑战 : 宽输入范围移相全桥是辅助电源变换器的一个主流拓扑, 效率 :95%, 功率密度 0.5kW/l( 水冷 ) GaN 与两级结构可显著提升效率和功率密度 Po(W) CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE Efficiency PSFB VS. Boost-LLC Boost-LLC PSFB

13 电动汽车充电设备市场电动汽车充电位置分布 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 12 20

14 我国车载充电器市场估计 2020: 500 万辆新能源汽车每年 100 万个车载充电器计算, 车载充电器市场 :500 元 /kw*3.3kw*100 万 =16.5 亿元 / 年与光伏变流器市场比较 :15GW/ 年, 15GW*0.25 元 /W=37.5 亿元国家发改委已发布电动汽车充电基础设施发展指南 ( ) 的通知, 总体目标是到 2020 年, 达到充电站 1.2 万座, 充电桩 480 万个 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 13 20

15 电池容量与充电时间根据美国 EPRI 调查, 多数电动汽车用户希望在家里充电 3.3kW 功率等级可能是量大面广, 其次 6.6kW 兼顾方便性和经济性, 美国 SAE 规定 level1 和 level 2 的充电器安装在车上, 快速充电在车外 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 14 20

16 车载充电器 -On-board Charger(OBC) EMI 滤波器 PFC 整流 380Vdc DC-DC 2xx-4xxVdc CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 15 20

17 PFC 电路采用交错并联方案, 可以改善开关电感器的热分布, 减少输出电容 Boost PFC 的开关电流采用无桥方案, 导通压降减小了一个二极管的压降, 提高 0.5% Interleaved Boost PFC Bridgeless PFC CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 16 20

18 DC-DC 电路 FB 方案, 为硬开关, 开关频率和功率密度受限制 SRC (LC, LLC ) 方案, 原边器件 FB converter SRC ZVS, 付边二极管 ZCS, 但输出滤波电容电流 RMS 大缺点 : 不适合于宽电压范围 PSFB 方案最大的优点是适合于宽电压范围原边器件 ZVS, 但滞后桥臂器件在轻载时失去 ZVS 存在环流和占空比损失问题付边二极管为硬关断, 存在较大的电压应力 PSFB converter CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 17 20

19 伪 DC-bus Lee, IEEE IE trans 固定开关频率的谐振变换器 +DCM Booost 谐振变换器实现高频隔离, boost converter 用于充电控制和输入功率因数校正不需要大电解电容, 体积小, 寿命提升缺点 : 电池侧有两倍工频脉动, 变换效率低 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 18 20

充电器产品比较 2P Boost+SRC+2P Boost 2P Boost+FBPS Pseudo-DC bus SRC Boost+SRC Boost+2P LLC

20 充电器产品比较 2P Boost+SRC+2P Boost 2P Boost+FBPS Pseudo-DC bus SRC Boost+SRC Boost+2P Lee,. APEC2014 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 19 20

21 采用 SiC 器件的充电器电路 : 无桥 PFC+PSFB Cree SiC MOSFET (1200 V, 20 A) 和 Schottky diode 最高效率 :95% 功率 :6.06 kw power density :5.0 kw/l,3.8 Whitaker, IEEE PE trans, 2014 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE

22 无线充电电磁感应原边线圈加一定频率的交流电, 通过电磁感应在副边线圈感应产生一定的电流, 从而将能量从传输端转移到接收端 IEC 61980: 85kHz (81.38kHz~90kHz) SAE 计划 2018 年前完成 SAE TIR J2954 标准的指定, 适用 WPT 1 (<3.7 kw) 和 WPT 2 (<7.7 kw). 美国 Idaho National Lab 验证 WPT 1 和 WPT 2 指标英国已建成一条无线充电公交线路 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 21 20

23 Omori, OIT, 2016 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 22 20

24 无线充电减少车载电池安装量,2/3 随时随地可以充电, 提高电池寿命解决电池里程焦虑的问题安全性 ( 人, 动物 ) 经济性好, 开创充电服务新商业模式可以设置的地点 : 停车位公交站红绿灯口高速公路专用道如路灯一样, 成为城市的基础公共设施 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 23 20

25 无线充电挑战 AC/DC 电网 AC/DC DC/AC 85kHz AC 变换级数多 (3-4 级 ) 谐振频率 (85kHz) 高充电的效率约 90% 需要采用 SiC 或 GaN 功率器件和新电路, 提升效率电磁防护及安全性充电标准 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 24 20

26 移动分布式储能 :V2G 车库停车场充电站的电动汽车作为电网的储能单元参与电网调峰, 电压和频率的调节, 提升电网的资产利用率储能电站城市轨道交通小型光伏电站小型风力电站电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器城市能源互联网住宅地下停车场商业区微网公共停车场社区微网 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 25 20

27 V2G 延生应用在用电高峰时可由车向电网送电, 成为移动储能电站作为紧急求援车队对因电力不足导致无法运行的车辆进行充电可做为临时电源使用, 如在野外, 在紧急情况下给医院学校消防供电 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 26 20

28 面向 V2G 的双向充电器双向 AC/DC 变换器 : 交流侧 4 象限运行双向 DC/DC 变换器 : 功率双向流动, 高频隔离以提升功率密度 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 27 20

29 双向充电器电路 FB+DAB DAB 受到关注, 功率调节十分方便, 可以实现 ZVS 存在环流, 导通损耗较大关断损耗大 FB+CLLC CLLC 继承了 LLC 的优点调压范围受限 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 28 20

30 CM and DM EMI coupling path 电磁兼容保证仪表与驾驶系统的可靠安全工作保证驾驶者的健康 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 29 20

31 总结巴黎协议将促进电动汽车的发展和普及宽禁带器件和新型电路技术结合将大幅提升 EV 电力电子变换器的可靠性功率密度效率随着新能源的普及,V2G 将创造电动汽车的新附加值电动汽车电磁兼容影响驾驶安全和健康, 应引起社会的广泛关注, 需要多学科联合攻克 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 30 20

32 谢谢各位, 敬请指正! CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 31 20

SB 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 塑料外壳 ( UL94 V-0), 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 C 范围 : 1.0 至 150μF 额定电压 : 700 至 1100 VC 偏差 :

SB 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 塑料外壳 ( UL94 V-0), 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 C 范围 : 1.0 至 150μF 额定电压 : 700 至 1100 VC 偏差 : SA 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 61071 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 聚酯胶带, 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 + 85 C 范围 : 15 至 500μF 额定电压 : 500 至 1100 VC 偏差 : ± 5%, ± 10% 损耗因素 : 2 10-3 @100z 20±5 C 预期寿命 : 100,000 小时 @Un, 70

电动汽车中若干电力电子问题 徐德鸿 浙江大学 2016 年 11 月 26 日, 上海 CLEAN ENERGY VEHICLE CHARGING AND PROPULSION TECHNOLOGY CONFERENCE 1 20

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