DC/DC-преобразователь с гальванической развязкой на SiC-MOSFET для гибридного автотранспортного средства
Ключевые слова:
силовая электроника, автомобильный DC/DC-преобразователь, ТОТЭ
Аннотация
Статья посвящена разработке DC/DC-преобразователя, предназначенного для использования в качестве зарядного устройства тяговых аккумуляторов беспилотного автотранспортного средства с батареей твердооксидных топливных элементов. В рамках проведения научных исследований был смоделирован, разработан, изготовлен и испытан полномостовой DC/DC-преобразователь мощностью 8 кВт с мостом, управляемым фазовым сдвигом. Описан принцип работы данного устройства. В системе управления, разработанной на базе микропроцессора Cortex ARM STM32F407VGT6, использовалось оригинальное программное обеспечение (ПО). ПО позволяет осуществлять работу преобразователя в автоматическом режиме, принимая от центрального процессорного устройства автомобиля команды на установку режима работы (уставка по току, напряжению, мощности), а также отправлять телеметрию (напряжение входных и выходных цепей, температура силовых ключей и корпуса). Связь с центральным процессорным устройством автомобиля осуществляется по протоколу CAN в стандарте SAE J1939. Controller Area Network (CAN bus) представляет собой стандартный протокол последовательной связи (его поддержка распределенного управления в реальном времени и мультиплексирования позволяет обмениваться информацией между различными компонентами транспортного средства). Классический формат кадра CAN допускает скорость передачи данных до 1 Мбит/с и полезную нагрузку до 8 байт на кадр, но недавно представленный формат (формат кадра с гибкой скоростью передачи данных CAN) допускает более высокие скорости передачи данных, а полезную нагрузку – выше и длиннее, чем эти обычные значения. Скорость передачи в разработанном преобразователе составляет 250 кбит/с. Преобразователь работает в диапазоне входных напряжений 180–250 В и выходных напряжений 500–800 В с ограничением по выходному току 10 А. Коэффициент полезного действия преобразователя составил 93%.
Литература
1. Вершинин Н.Ф. и др. 6кВт преобразователь для согласования батареи ТОТЭ с энергосистемой электротранспортного средства. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе, 2020, DOI 10.26201/ISSP.2021/FC.64.
2. Controller Area Network (CAN) Standards [Электрон. ресурс], URL: https://blog.ansi.org/2017/02/controller-area-network-can-standards-iso-11898 (дата обращения 07.06.2022).
3. Краткий обзор протокола CAN. Часть 1 [Электрон. ресурс], URL: https://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160 (дата обращения 07.06.2022).
4. Краткий обзор протокола CAN. Часть 2 [Электрон. ресурс], URL: http://www.micromax.ru/about/articles/2161 (дата обращения 07.06.2022).
5. Chen G., et al. An Optimized Modulation Method for Full-Bridge/Push-Pull Bi-Directional DC-DC Converter with Wide-Range ZVS and Reduced Spike Voltage. – IECON 2014, 2014, pp. 1247–1253, DOI:10.1109/IECON.2014.7048662.
6. Kollipara N., et al. Phase Control and Power Optimization of LLC Converter. – IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019, DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702652.
7. Bhaskar D., Vishwanathan N. Full Bridge Series Resonant Inverter for Induction Cooking Application. – IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2012, DOI: 10.1109/IICPE.2012.6450370.
8. Kato H., et al. Power Efficiency Improvement of the Full Bridge Current Resonant DC-DC Converter. – IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011, DOI: 10.1109/INTLEC.2011.6099898.
9. Shi K., et.al. A Novel Phase-Shift Dual Full-Bridge Converter with Full Soft-Switching Range and Wide Conversion Range. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, vol. 31, p 7747-7760, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2512848.
10. Li H., et al. A 6.6kW SiC Bidirectional On-board Charger. – IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2018, DOI: 10.1109/APEC.2018.8341164.
11. Pat. US10892678B2. Method and Apparatus for Manuel Bidirectional Operation of Phase-Shift Full-Bridge Converter Using Inductor Pre-Charging / M.E. Rodriguez, M.-A. Kutschak, D.M. Herrera, 2021.
12. Pat. US20160149498A1. Method of Controlling Phase-Shift Full-Bridge Converter in Light Load Operation/ Z.-Y. Wu, T.-C. Leung, 2016.
13. Pat. US10707775B2. Method and Apparatus for Multi-Phase Shift Power Converter Control / M.J. Harrison, D.R. Zimmanck, M. Fornage, 2020.
14. Вершинин Н.Ф. и др. АСУ Макета Энергоустановки на ТОТЭ для опорного пункта арктической зоны РФ. Сравнение рабочих характеристик DC/DC преобразователей с гальванической развязкой и без нее для систем выдачи мощности батареи ТОТЭ. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе, 2021, с. 89–90.
15. Escudero M., et al. Modulation Scheme for the Bidirectional Operation of the Phase-Shift Full-Bridge Power Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, vol. 35, iss. 2, pp. 1377–1391, DOI: 10.1109/TPEL.2019.2923804.
16. Lo Yu-K., et al. Phase-Shifted Full-Bridge Series-Resonant DC–DC Converters for Wide Load Variations. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, vol. 58 (6), pp. 2572–2575, DOI: 10.1109/TIE.2010.2058076.
17. Pat. US9789774B2. Charger for Vehicles / J.Yo. Yang, et al., 2017.
18. Вершинин Н.Ф. и др. Характеристики 5кВт 48-вольтного DC/DC-преобразователя без гальванической развязки системы выдачи мощности батареи ТОТЭ для энергосистемы опорного пункта арктической зоны РФ. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе, 2021, с. 190–191, DOI: 10.26201/ISSP.2021/FC.63
---
Работа выполнена в ИФТТ РАН при поддержке гранта РНФ 17-79-30071П "Разработка научно обоснованных путей оптимизации мощностных и массогабаритных характеристик батарей ТОТЭ планарной конструкции и создание топливного процессора для высокоэффективных транспортных и стационарных энергоустановок"
#
1. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2020, DOI 10.26201/ISSP.2021/FC.64.
2. Controller Area Network (CAN) Standards [Electron. resource], URL: https://blog.ansi.org/2017/02/controller-area-network-can-stan-dards-iso-11898 (Date of appeal 07.06.2022).
3. Kratkiy obzor protokola CAN. Chast' 1 (A Brief Overview of the CAN Protocol. Part 1) [Electron. resource], URL: https://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160 (Date of appeal 07.06.2022).
4. Kratkiy obzor protokola CAN. Chast' 2 (A Brief Overview of the CAN Protocol. Part 2) [Electron. resource], URL: http://www.micromax.ru/about/articles/2161 (Date of appeal 07.06.2022).
5. Chen G., et al. An Optimized Modulation Method for Full-Bridge/Push-Pull Bi-Directional DC-DC Converter with Wide-Range ZVS and Reduced Spike Voltage. – IECON 2014, 2014, pp. 1247–1253, DOI:10.1109/IECON.2014.7048662.
6. Kollipara N., et al. Phase Control and Power Optimization of LLC Converter. – IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019, DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702652.
7. Bhaskar D., Vishwanathan N. Full Bridge Series Resonant Inverter for Induction Cooking Application. – IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2012, DOI: 10.1109/IICPE.2012.6450370.
8. Kato H., et al. Power Efficiency Improvement of the Full Bridge Current Resonant DC-DC Converter. – IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011, DOI: 10.1109/INTLEC.2011.6099898.
9. Shi K., et.al. A Novel Phase-Shift Dual Full-Bridge Converter with Full Soft-Switching Range and Wide Conversion Range. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, vol. 31, p 7747-7760, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2512848.
10. Li H., et al. A 6.6kW SiC Bidirectional On-board Charger. – IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2018, DOI: 10.1109/APEC.2018.8341164.
11. Pat. US10892678B2. Method and Apparatus for Manuel Bidirectional Operation of Phase-Shift Full-Bridge Converter Using Inductor Pre-Charging / M.E. Rodriguez, M.-A. Kutschak, D.M. Her-rera, 2021.
12. Pat. US20160149498A1. Method of Controlling Phase-Shift Full-Bridge Converter in Light Load Operation/ Z.-Y. Wu, T.-C. Leung, 2016.
13. Pat. US10707775B2. Method and Apparatus for Multi-Phase Shift Power Converter Control / M.J. Harrison, D.R. Zimmanck, M. Fornage, 2020.
14. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2021, pp. 89–90.
15. Escudero M., et al. Modulation Scheme for the Bidirectional Operation of the Phase-Shift Full-Bridge Power Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, vol. 35, iss. 2, pp. 1377–1391, DOI: 10.1109/TPEL.2019.2923804.
16. Lo Yu-K., et al. Phase-Shifted Full-Bridge Series-Resonant DC–DC Converters for Wide Load Variations. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, vol. 58 (6), pp. 2572–2575, DOI: 10.1109/TIE.2010.2058076.
17. Pat. US9789774B2. Charger for Vehicles / J.Yo. Yang, et al., 2017.
18. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2021, с. 190–191, DOI: 10.26201/ISSP.2021/FC.63
---
The work was carried out at the ISSP RAS with the support of the grant of the Russian Academy of Sciences 17-79-30071P "Development of scientifically based ways to optimize the power and weight-dimensional characteristics of planar TTE batteries and the creation of a fuel processor for highly efficient transport and stationary power plants"
2. Controller Area Network (CAN) Standards [Электрон. ресурс], URL: https://blog.ansi.org/2017/02/controller-area-network-can-standards-iso-11898 (дата обращения 07.06.2022).
3. Краткий обзор протокола CAN. Часть 1 [Электрон. ресурс], URL: https://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160 (дата обращения 07.06.2022).
4. Краткий обзор протокола CAN. Часть 2 [Электрон. ресурс], URL: http://www.micromax.ru/about/articles/2161 (дата обращения 07.06.2022).
5. Chen G., et al. An Optimized Modulation Method for Full-Bridge/Push-Pull Bi-Directional DC-DC Converter with Wide-Range ZVS and Reduced Spike Voltage. – IECON 2014, 2014, pp. 1247–1253, DOI:10.1109/IECON.2014.7048662.
6. Kollipara N., et al. Phase Control and Power Optimization of LLC Converter. – IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019, DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702652.
7. Bhaskar D., Vishwanathan N. Full Bridge Series Resonant Inverter for Induction Cooking Application. – IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2012, DOI: 10.1109/IICPE.2012.6450370.
8. Kato H., et al. Power Efficiency Improvement of the Full Bridge Current Resonant DC-DC Converter. – IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011, DOI: 10.1109/INTLEC.2011.6099898.
9. Shi K., et.al. A Novel Phase-Shift Dual Full-Bridge Converter with Full Soft-Switching Range and Wide Conversion Range. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, vol. 31, p 7747-7760, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2512848.
10. Li H., et al. A 6.6kW SiC Bidirectional On-board Charger. – IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2018, DOI: 10.1109/APEC.2018.8341164.
11. Pat. US10892678B2. Method and Apparatus for Manuel Bidirectional Operation of Phase-Shift Full-Bridge Converter Using Inductor Pre-Charging / M.E. Rodriguez, M.-A. Kutschak, D.M. Herrera, 2021.
12. Pat. US20160149498A1. Method of Controlling Phase-Shift Full-Bridge Converter in Light Load Operation/ Z.-Y. Wu, T.-C. Leung, 2016.
13. Pat. US10707775B2. Method and Apparatus for Multi-Phase Shift Power Converter Control / M.J. Harrison, D.R. Zimmanck, M. Fornage, 2020.
14. Вершинин Н.Ф. и др. АСУ Макета Энергоустановки на ТОТЭ для опорного пункта арктической зоны РФ. Сравнение рабочих характеристик DC/DC преобразователей с гальванической развязкой и без нее для систем выдачи мощности батареи ТОТЭ. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе, 2021, с. 89–90.
15. Escudero M., et al. Modulation Scheme for the Bidirectional Operation of the Phase-Shift Full-Bridge Power Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, vol. 35, iss. 2, pp. 1377–1391, DOI: 10.1109/TPEL.2019.2923804.
16. Lo Yu-K., et al. Phase-Shifted Full-Bridge Series-Resonant DC–DC Converters for Wide Load Variations. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, vol. 58 (6), pp. 2572–2575, DOI: 10.1109/TIE.2010.2058076.
17. Pat. US9789774B2. Charger for Vehicles / J.Yo. Yang, et al., 2017.
18. Вершинин Н.Ф. и др. Характеристики 5кВт 48-вольтного DC/DC-преобразователя без гальванической развязки системы выдачи мощности батареи ТОТЭ для энергосистемы опорного пункта арктической зоны РФ. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе, 2021, с. 190–191, DOI: 10.26201/ISSP.2021/FC.63
---
Работа выполнена в ИФТТ РАН при поддержке гранта РНФ 17-79-30071П "Разработка научно обоснованных путей оптимизации мощностных и массогабаритных характеристик батарей ТОТЭ планарной конструкции и создание топливного процессора для высокоэффективных транспортных и стационарных энергоустановок"
#
1. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2020, DOI 10.26201/ISSP.2021/FC.64.
2. Controller Area Network (CAN) Standards [Electron. resource], URL: https://blog.ansi.org/2017/02/controller-area-network-can-stan-dards-iso-11898 (Date of appeal 07.06.2022).
3. Kratkiy obzor protokola CAN. Chast' 1 (A Brief Overview of the CAN Protocol. Part 1) [Electron. resource], URL: https://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160 (Date of appeal 07.06.2022).
4. Kratkiy obzor protokola CAN. Chast' 2 (A Brief Overview of the CAN Protocol. Part 2) [Electron. resource], URL: http://www.micromax.ru/about/articles/2161 (Date of appeal 07.06.2022).
5. Chen G., et al. An Optimized Modulation Method for Full-Bridge/Push-Pull Bi-Directional DC-DC Converter with Wide-Range ZVS and Reduced Spike Voltage. – IECON 2014, 2014, pp. 1247–1253, DOI:10.1109/IECON.2014.7048662.
6. Kollipara N., et al. Phase Control and Power Optimization of LLC Converter. – IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019, DOI: 10.1109/ISCAS.2019.8702652.
7. Bhaskar D., Vishwanathan N. Full Bridge Series Resonant Inverter for Induction Cooking Application. – IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE), 2012, DOI: 10.1109/IICPE.2012.6450370.
8. Kato H., et al. Power Efficiency Improvement of the Full Bridge Current Resonant DC-DC Converter. – IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011, DOI: 10.1109/INTLEC.2011.6099898.
9. Shi K., et.al. A Novel Phase-Shift Dual Full-Bridge Converter with Full Soft-Switching Range and Wide Conversion Range. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, vol. 31, p 7747-7760, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2512848.
10. Li H., et al. A 6.6kW SiC Bidirectional On-board Charger. – IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2018, DOI: 10.1109/APEC.2018.8341164.
11. Pat. US10892678B2. Method and Apparatus for Manuel Bidirectional Operation of Phase-Shift Full-Bridge Converter Using Inductor Pre-Charging / M.E. Rodriguez, M.-A. Kutschak, D.M. Her-rera, 2021.
12. Pat. US20160149498A1. Method of Controlling Phase-Shift Full-Bridge Converter in Light Load Operation/ Z.-Y. Wu, T.-C. Leung, 2016.
13. Pat. US10707775B2. Method and Apparatus for Multi-Phase Shift Power Converter Control / M.J. Harrison, D.R. Zimmanck, M. Fornage, 2020.
14. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2021, pp. 89–90.
15. Escudero M., et al. Modulation Scheme for the Bidirectional Operation of the Phase-Shift Full-Bridge Power Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, vol. 35, iss. 2, pp. 1377–1391, DOI: 10.1109/TPEL.2019.2923804.
16. Lo Yu-K., et al. Phase-Shifted Full-Bridge Series-Resonant DC–DC Converters for Wide Load Variations. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, vol. 58 (6), pp. 2572–2575, DOI: 10.1109/TIE.2010.2058076.
17. Pat. US9789774B2. Charger for Vehicles / J.Yo. Yang, et al., 2017.
18. Vershinin N.F., et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them), 2021, с. 190–191, DOI: 10.26201/ISSP.2021/FC.63
---
The work was carried out at the ISSP RAS with the support of the grant of the Russian Academy of Sciences 17-79-30071P "Development of scientifically based ways to optimize the power and weight-dimensional characteristics of planar TTE batteries and the creation of a fuel processor for highly efficient transport and stationary power plants"
