Aplikacje i przegląd konwerterów zasilających dla motoryzacji

Rys. 1. Lokalizacja konwerterów DC-DC w samochodzie hybrydowym

Liczne systemy takich pojazdów muszą być zasilane z wydajnych i stabilnych źródeł, a z uwagi na konieczność komunikacji i sterowania, często także ich obwody zasilające muszą być izolowane galwanicznie. Wiele rozwiązań systemów zasilania w takich przypadkach bazuje na izolowanych konwerterach DC-DC. Na rysunku 1. pokazano przykładowe obwody sterujące samochodu z napędem hybrydowym, w których wykorzystywane są konwertery DC-DC.

Najważniejszą częścią samochodu hybrydowego lub elektrycznego jest zespół BMS (Battery Management System), który odpowiada za zasilanie silnika elektrycznego oraz za ładowanie akumulatora energią odzyskiwaną podczas hamowania. Jego skuteczne działanie wymaga ciągłego monitorowania aktualnych warunków pracy zespołu napędowego, stanu akumulatora oraz warunków otoczenia, głównie temperatury.

W przypadku samochodu elektrycznego najważniejszym zadaniem dla BMS staje się nadzór nad stanem i ładowaniem zespołu akumulatorów, gdyż od nich zależy w największym stopniu funkcjonalność pojazdu. Na rysunku 3 pokazany został schemat blokowy przykładowego modułu BMS wraz z obwodami wymagającymi izolacji galwanicznej.

Moduł BMS

Rys. 2. Schemat blokowy przykładowego systemu sterującego zespołem napędowym pojazdu hybrydowego

Moduł BMS jest odpowiedzialny za próbkowanie napięć poszczególnych ogniw baterii, kontrolę temperatury, balansowanie ogniw oraz monitorowanie prądu i napięcia. Obwody elektryczne tego systemu muszą mieć możliwość pracy w zakresie temperatur od -40 do +125°C oraz posiadać aprobatę jakości AEC-Q100.

Do takich aplikacji firma Mornsun proponuje nową serię izolowanych jednowatowych przetwornic DC-DC CF0505XT-1WR2, które spełniają powyższe wymagania temperaturowe i jakościowe oraz mają wysokiej jakości izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem konwertera wytrzymującą napięcie rzędu 3,5 kV_DC. Dodatkowo ich konstrukcja jest w pełni odporna na przeciążenia, zwarcia i stany nieustalone, a napięcie wyjściowe charakteryzuje się niskim poziomem szumów i tętnień w pełnym zakresie obciążeń i napięć wejściowych.

Kolejnym ważnym blokiem jest sterownik silnika elektrycznego. Urządzenie to przekształca stałe napięcie dostarczane przez akumulator na przemienne trójfazowe napięcie podawane na trzy uzwojenia silnika indukcyjnego. Formalnie sterownik ten jest trójfazowym falownikiem ze sterowaniem wektorowym wykonanym z wykorzystaniem trzech przekształtników napięcia na tranzystorach IGBT.

Rys. 3. Schemat blokowy układu zarządzania baterią akumulatorów w samochodzie elektrycznym

Poza funkcją zasilania silnika z regulacją mocy i obrotów sterownik musi dostarczać zwrotne sygnały do komputera nadzorującego na temat prądów i napięć we wszystkich uzwojeniach, co jest wymagane z uwagi na konieczność wykrywania i reagowania na przeciążenia. Poza stopniem mocy wykonanym na sześciu tranzystorach IGBT ułożonych w mostek, niezbędne są drivery sterujące tymi tranzystorami wraz z układami zasilania dla tych obwodów, plus dodatkowe napięcia stabilizowane dla procesora sygnałowego sterującego przełączaniem i realizującego algorytm sterujący.

Skuteczne, czyli szybkie i pewne, przełączanie tranzystorów IGBT pomiędzy stanem silnego nasycenia a zatkania (odcięcia) wymaga układu drivera zdolnego do podania na bramkę prądu sterującego o dużej wartości, tak aby tranzystor jak najszybciej wszedł w stan nasycenia. Jest to kluczowe z uwagi na konieczność zapewnienia małych strat mocy przez skrócenie do minimum czasu, w którym tranzystor znajduje się w stanie aktywnym.

Z kolei wyłączanie tranzystora wymaga podania na bramkę ujemnego napięcia zasilającego po to, aby szybko usunąć ładunek zgromadzony w obszarze bazy i wyłączyć tranzystor z jak najkrótszym opóźnieniem. Innymi słowy, driver IGBT musi być zasilany napięciem symetrycznym z zasilacza zdolnego dostarczyć prąd chwilowy o dużej wartości. Co więcej, konwertery zasilające obwody poszczególnych driverów powinny mieć izolację elektryczną wysokiej jakości, bo na poszczególnych elementach IGBT pojawiają się dość duże przepięcia wynikające z szybkiego przełączania napięć w uzwojeniach silników indukcyjnych.

Rys. 4. Schemat poglądowy sterownika (falownika) silnika elektrycznego

Do takich układów firma Mornsun proponuje konwertery DC-DC QA04, które zostały opracowane specjalnie pod kątem zasilania obwodów drivera. Przetwornice pracują w zakresie temperatur od -40 do +105°C a ich izolacja wytrzymuje 3 kV_AC. Warto zauważyć, że producentowi udało się osiągnąć bardzo małą pojemność między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym - jedynie 10 pF, co ogranicza możliwość przenoszenia się przepięć z wyjścia na wejście i poprawia stabilność pracy.

Konwertery dostarczają na wyjściu dwóch napięć +15 i -8,7 V i mogą współpracować z obciążeniem pojemnościowym aż do 1000 µF, co umożliwia wykorzystanie kondensatorów o dużej pojemności do gromadzenia dużego ładunku niezbędnego do uzyskania chwilowej dużej wartości prądu sterującego bramką IGBT (szybkie przeładowanie). Obwody QA04 są oczywiście zabezpieczone przed przeciążeniem a dodatkowo po włączeniu napięcie na ich wyjściu narasta bez przerzutów i oscylacji.

Układ ładowania akumulatora

Rys. 5. Przykładowy układ ładowania 24-elementowego zespołu akumulatorów w samochodzie elektrycznym

Niezbędną częścią samochodu elektrycznego jest układ ładowania akumulatora. Poza wprowadzeniem ładunku elektrycznego do ogniw jego niezbędnym elementem jest układ balansujący, zapewniający dobre naładowanie wszystkich ogniw wchodzących w skład baterii i likwidację różnic charakterystyki elektrycznej wynikających z tolerancji wykonania i parametrów ogniw oraz ich nierównomiernego starzenia. Ładowarka powinna zapewniać jak najszybszy proces ładowania po to, aby zminimalizować czas wymagany na tę operację.

Jak pokazano na rysunku 5, głównym elementem systemu jest wydajna ładowarka zapewniająca prąd rzędu 30 A. Do każdego z ogniw dołączony jest układ balansujący, którego zadaniem jest wyrównanie procesu ładowania dla każdego z ogniw, gdyż przy połączeniu szeregowym na skutek różnych parametrów poszczególnych celi bez układu balansującego jedne ogniwa były przeładowane, a inne niedoładowane, co nie tylko nie pozwoliłoby uzyskać pełnej wydajności ogniw, ale także mogło być niebezpieczne.

Układ ładowarki wykorzystuje zwykle także dodatkowy zasilacz pomocniczy URB2404LD-3000, który używany jest jako źródło zasilania po naładowaniu akumulatora z ładowarki głównej. Jest on używany do zasilania układu balansującego oraz doładowania wszystkich ogniw do pełnej pojemności. Zasilacz URB2404LD-3000 dostarcza prąd 3 A przy napięciu wejściowym 9-36 V i przeznaczony jest do współpracy z akumulatorami litowo-jonowymi o napięciu znamionowym 3,3 oraz 3,7 V. Zasilacz ten ma możliwość zdalnego sterowania i precyzyjnej regulacji napięcia wyjściowego. Wejście i wyjście są izolowane galwanicznie, izolacja wytrzymuje napięcie 1,5 kV.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.micros.com.pl