【taycan充电桩适用】中国快运|电动汽车的& ampquot驱动-充电& ampquot基于FPGA的集成拓扑研究

1概述

随着电动汽车的普及，人们对电动汽车的充电速度提出了更高的要求。目前电动汽车一般采用400伏电压系统，对于超过600公里的电动汽车，电池容量超过90千瓦时。使用DC快速充电桩进行DC充电时，SOC需要1个小时才能充电10%到90%，因此无法满足用户的快速充电需求。电池充电速度目前主要受充电桩和充电枪的充电电流的制约。充电电流大意味着线路损耗增加，如果电流超过350A，充电总选就要增加水冷冷却，进一步提高充电线的操作难度，降低充电效率。提高电池电压可以在保持充电电流不变的情况下提高电动汽车的充电速度，减少充电损失。

目前，各重型车辆厂已开展了800V电力驱动系统研究，减少了电动汽车充电时间，提高了用户体验。但是充电桩作为基础设施建设，在应用和推广上存在延迟，目前的充电桩电压等级以400伏为主。电动车电压从400V转换为800V的过程中，800V系统的400V充电文件(& ampquot低压文件& ampquot)解决兼容性[1]，考虑高压系统的成本，考虑零部件装配空间、车辆重量、车辆安全等工程问题，对电力驱动系统构成巨大挑战。

2国内外研究现状

目前国内外整车厂开发的800V高压驱动系统，常用的高压拓扑结构如图1所示。

高压系统拓扑通常包括电池、汽车充电器(OBC)、高压12V直流变换器(DCDC)、电机控制器、电机、PTC、400V-800V增压充电模块(Boost模块)

在电动驱动模式下，电动机控制器将电池提供的直流电力转换为频率和尺寸可变的三相交流电，以驱动电动机旋转。

在充电模式下，不同电压等级的充电文件通过充电枪连接高压系统的相应充电口。800V直流充电文件(& ampquot高压文件& ampquot)连接后，通过充电枪直接连接到电池内电池管理系统(BMS)，可充电800伏，最大瞬间充电功率超过300千瓦。如果充电文件输出为400V直流，则充电枪连接到Boost模块连接器。该模块通过Boost电路将400V直流提升到800V直流，然后给电池充电。

对于保时捷来说，保时捷Taycan以前使用的是800V高压系统，为了与400V充电文件同时兼容，Taycan除了标准的800V直流充电系统外，还添加了400V ~ 800V的Boost充电模块。作为期权配置，该方案占用了车身空间，增加了高压系统的开发成本和硬件成本。

三电驱动系统boost拓扑结构

本文将Boost电路与电驱动系统拓扑结构相结合的电驱动系统的& amp# 039；驱动-充电& amp# 039；并给出了统一拓扑结构。也就是说，通过电动汽车中已有的电源装置实现Boost电路的整流电路。利用电机定子电感进行滤波。该拓扑结构只要添加少量电子设备，就可以基于电力驱动系统添加直流升压充电功能，从而简化高压系统拓扑结构，降低成本。

3.1 boost电路拓扑结构及工作原理

BOOST增压电路也称为直流斩波电路，基于电感的电流不能突变的特性，使用开关管开通和切断时间比来保持直流的稳定输出。Boost电路拓扑已经仔细研究了较多的文献，本文不再赘述。

3.2电驱动系统拓扑结构和工作原理

电力驱动系统由电机控制器、电机和减速箱组成。电机控制器的作用是将电池提供的直流功率转换为三相交流电源，输入电机侧面，控制电机旋转控制、启动停止和电机保护。电机控制器主要由直流总线容量、三相桥式逆变电路、控制电路等组成。其中，三相桥式逆变电路由六个IGBT组组成，这些IGBT组接收来自控制电路的PWM控制信号，并执行开关动作以实现逆变过程。电动汽车大多采用永磁同步电机或交流异步电机，定子绕组的布线方式一般采用星形连接，为了便于研究，电机各相绕组模型与电感和电阻连接相同。由于电机控制原理已有较多的文献进行了详细的研究，本文不再赘述。

3.3 & ampquot驱动-充电& ampquot集成拓扑和工作原理

通过对Boost增压电路拓扑结构和电驱动系统拓扑结构的比较，可以发现Boost增压电路拓扑结构所需的电感、电源开关、二极管和电容器元件都包含在电驱动系统拓扑结构中。通过添加两个开关和少量手动部件，并调整电源设备的开关策略，电力驱动系统可以实现充电功能。经过改造的拓扑结构如图2所示。

电力驱动系统加入一个熔丝和两个开关后，即可使用Boost Boost功能。电力驱动系统中高压引线p电池阳极、引线线

N接电池负极；引出线Pile+接低压桩正极，Pile-接低压桩负极。工作过程如下：第一步，关闭K2，K1开关。第二步，给电感充电；该拓扑可使用三相定子电感中的一相导通或多相同时导通实现Boost电路。以L1一相电感为例，控制V4的IGBT导通，其他桥臂断开，低压桩与电感形成回路，给L1电感充电;此时上三管的续流二极管处于截止状态，直流链支撑电容给电池充电。第三步，控制V4断开，原回路中的电流通过V1的反并联二极管进行续流，充电桩、L1、V1反并联二极管、电池形成新的回路，由于电路中电流减小，电感两端电压反向，此时电池两端电压等于电感电压加低压桩电压。重复步骤二和三，实现对电池进行升压充电，直到电池电量充满。

3.4电路参数匹配

假设一套150kW电驱动系统，其输入参数如表1，计算该系统的充电功率。

根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。

带入表1参数，计算得D=0.5；其中Vin为桩输入电压，V0为输出到电池两端电压。

为了保持电路工作的稳定性与可靠性，流过电感的峰值电流通常不大于功率器件额定电流的1/2，同时避免因为电流过大造成电感饱和。

电感输出电流可以通过公式（2）确定

计算得I0=83A；对于一套峰值功率为150kW的电驱动系统，其直流侧额定电流超过100A，交流侧的额定电流设计超过110A，因此I0未超过功率器件的通流能力，可以承受超过60分钟的充电时间。

输出功率计算依据公式（3）

计算得Pout=66.3kW，使用400V充电桩，利用“驱动-充电”一体化系统进行直流充电，充电功率可以达到66.4kW，相比主流的11kW家用交流桩充电时间缩短到1/6，满足用户日常充电需求。

4结论

在800V充电桩投放滞后的过渡阶段，该拓扑通过在现有电驱动系统基础上增加少量元器件，使800V电驱系统具备升压充电功能，兼容400V直流充电桩，充电速率远高于常见的11kW家用充电桩。该拓扑以较低的成本解决了800V高压系统对低压充电桩的兼容性，也可以取代功率较低的车载充电机，配合400V直流充电桩，进一步节省整车空间和成本，具有显著的经济效益。

文章来源：华人运通（江苏）技术有限公司上海分公司