Ein zweistufiger DC-DC-Galvanische Trennungswandler für Batterieladeanwendungen

     Dieser Artikel schlägt einen zweistufigen DC-DC-Trennkonverter für Anwendungen im Bereich der Elektrofahrzeugladung vor und analysiert ihn, wobei eine hohe Effizienz über einen weiten Spannungsbereich der Batterie erforderlich ist. Der vorgeschlagene Umrichterschaltkreis besteht aus einer ersten Isolierstufe mit CLLC-Resonanzstruktur und einem zweiten Buck-Regler mit zwei Eingängen. Der Transformator der ersten Stufe ist so konzipiert, dass seine beiden Ausgangsspannungen idealerweise den minimalen und maximalen erwarteten Spannungen entsprechen, die an die Batterie angelegt werden sollen. Die zweite Stufe kombiniert dann die von der ersten Isolierstufe bereitgestellten Spannungen, um die Ausgangsspannung des gesamten Konverters zu regeln. Die erste Stufe wird stets in Resonanz betrieben, wobei ihre einzige Funktion darin besteht, Isolation und feste Umsetzungsverhältnisse mit minimalen Verlusten zu gewährleisten, während die zweite Stufe eine Ausgangsspannungsregelung über einen weiten Spannungsbereich der Batterie ermöglicht. Insgesamt zeigt sich, dass die Lösung eine hohe Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Ausgangsspannungen aufweist.

1.Einleitung.

    Elektrische Verkehrsmittel gewinnen in vielen Ländern an Boden, da es zunehmend Bedenken bezüglich globaler Treibhausgasemissionen und der Versorgung und Abnutzung fossiler Brennstoffe gibt. Diese Bedenken haben kürzlich das exponentielle Wachstum der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) angestoßen. Diese hohe Nachfrage, kombiniert mit dem Streben nach längeren Reichweiten und kürzeren Ladezeiten, treibt neue Generationen von EVs, die höhere Batteriekapazitäten und Laderaten implementieren. Folglich sind neue EV-Ladestationen erforderlich, um mehr Leistung schneller als je zuvor bereitzustellen.

2.Struktur und Arbeitsprinzip.

    Wie in Abbildung gezeigt, besteht der vorgeschlagene zweistufige Konverter aus einer ersten Isolierstufe, die auf einem LLC-Resonanzumrichter basiert, und einer zweiten Post-Reglerstufe, die auf einem Buck-Umrichter basiert. Dieser Post-Regler ist verantwortlich für die Ausgangsspannungsregelung und wird durch einen hocheffizienten Zweiausgangs-DCX-Konverter versorgt, der Sekundärspannungen V1 und V2 bereitstellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass der Spannungsaufwand des Post-Reglers, nämlich V1−V2, geringer ist als die Ausgangsspannung Vo, was es ermöglicht, Schaltelemente mit kleinerem Einschaltdurchgangswiderstand sowie geringeren Schaltverlusten zu verwenden.

3.Entwurf der LLC-Stufe, die als DCX betrieben wird.

     Wenn der LLC-Resonanzkreis bei der Resonanzfrequenz betrieben wird, wird das Spannungsumsetzungsverhältnis idealerweise unabhängig vom tatsächlichen Lastzustand. Mit anderen Worten, der LLC-Umrichter behält ein konstantes Spannungsumsetzungsverhältnis bei und passt seinen Strom automatisch gemäß den Lastbedingungen an, indem er sich wie ein DCX verhält. In diesem Betriebszustand zeigt der LLC seine maximale Effizienz, mit minimalem Reaktivleistungsdurchfluss und stets erfüllten Nullspannungs- und Nullstromschaltbedingungen. Es ist bemerkenswert, dass der DCX-Betrieb des LLC keinen externen Resonanzinduktor erfordert, da der Umsetzungsfaktor festgelegt ist. Eine äquivalente Lösung, die auf einem resonanten FB-LLC basiert und über den gleichen weiten Bereich von Ausgangsspannungen arbeitet, wird unter permanenten DCX-Bedingungen höhere Verluste als der LLC aufweisen.

4.Fazit

     Die Umrichterleistungen, die den gesamten Leistungs- und Spannungsbereich abdecken, wurden experimentell gemessen und zeigen eine hohe Effizienz über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen, mit einem Spitzenwirkungsgrad von 98,63% bei 500V Ausgangsspannung und 7kW übertragener Leistung. In endgültigen Anwendungen können mehrere Module in Reihe oder parallel verbunden werden, um die Spannungs- oder Stromwerte der Endimplementierung zu skalieren, dank des isolierten Ausgangs. Zukünftige Studien könnten Online-Regler für optimale Umrichtermodulation und Verfahren zur optimalen Gestaltung der Komponenten des Umrichters, wie z.B. der Ausgangs-TBB-Drosseln, beinhalten.

Quelle: IEEE Xplore

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