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电动汽车驱动 DC-DC变换器 DAB ★ 5.0

基于双悬浮结构的三端口直流变换器用于电动汽车-辅助电源模块

Dual Floating Based Three Port DC-DC Converter for EV-APM

作者 Huu-Phuc Kieu · Ngoc-Quy Do · Sewan Choi
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 DC-DC变换器 DAB
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 三端口直流变换器 双浮动双有源桥 双辅助电压系统 高电压增益 功率密度
语言:

中文摘要

本文提出了一种新型隔离式三端口直流 - 直流变换器(TPC),名为双浮动双有源桥(DAB)三端口变换器。所提出的变换器将一个隔离式 DAB 变换器和一个交错非隔离式双浮动升压(DFB)变换器相结合。由于自动驾驶和娱乐系统的发展,车辆中辅助负载的功率需求迅速增加,因此引入了双辅助电压(48 V 和 12 V)系统以减轻大电流负担。DFB 变换器的高电压增益特性确保其工作占空比保持在 0.5 左右,从而减小滤波器尺寸、关断电流和环流,并提高高压侧的功率传输能力。此外,低压侧开关上较低的电压应力允许使用具有较低导通电阻($R_{DS,on}$)的开关,从而降低传导损耗。为验证理论分析,搭建了一台 6.1 kW、100 kHz 的所提出 TPC 的实验样机。该样机可在 400 - 840 V 的宽高压端口电压范围和 9 - 16 V 的 12 V 端口电压范围内运行,同时为 48 V 端口提供稳定的 48 V 电压。样机实现了 9.14 kW/L 的功率密度和 96.6%的峰值效率。

English Abstract

This article proposes a new isolated three-port dc–dc converter (TPC) named dual floating dual active bridge (DAB) three-port converter. The proposed converter combines an isolated DAB converter and an interleaved nonisolated dual floating boost (DFB)converter. As the power demand of auxiliary loads in the vehicles rapidly increases due to autonomous and entertainment systems, a dual auxiliary voltage (48 and 12 V) system is introduced to mitigate the burden of high current. The high voltage gain feature of the DFB converter ensures that the operating duty remains around 0.5, reducing filter size, turn-off current, and circulating current, and increasing the power transfer capability from the high voltage side. Additionally, the lower voltage stress on the low-side switches allows for the use of switches with lower RDS,on, reducing conduction losses. To validate the theoretical claims, a 6.1 kW, 100 kHz prototype of the proposed TPC has been built. The prototype operates with a wide HV-port voltage range of 400–840 V and a 12 V-port voltage range of 9–16 V while providing a fixed 48 V to the 48 V-port. The prototype achieves a power density of 9.14 kW/L and a peak efficiency of 96.6%.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项双浮地三端口DC-DC转换器技术具有重要的战略价值,特别是在电动汽车电源管理和储能系统领域。该技术通过集成隔离型双有源桥(DAB)与交错式双浮地升压转换器,实现了400-840V高压端、48V中压端和12V低压端的高效能量管理,这与阳光电源在新能源汽车动力系统和储能变流器领域的技术路线高度契合。

该技术的核心价值在于其高功率密度(9.14 kW/L)和峰值效率(96.6%),这对阳光电源开发下一代车载DC-DC转换器和储能双向变流器具有直接借鉴意义。特别是双辅助电压架构(48V/12V)的设计理念,可有效应对智能网联汽车和自动驾驶系统带来的辅助负载激增问题,这与阳光电源在电动汽车电源解决方案中面临的实际需求完全吻合。

从技术成熟度评估,该方案已完成6.1kW原型验证,工作频率达100kHz,展现出良好的工程化潜力。高压侧宽范围运行能力(400-840V)与阳光电源储能系统的电压等级相适应,而低压侧开关应力降低带来的导通损耗优化,可直接提升产品竞争力。

然而,技术挑战也不容忽视:三端口功率协调控制的复杂性、高频变压器设计优化、以及电磁兼容性问题都需要深入研究。对阳光电源而言,该技术可作为车载充电机(OBC)、储能PCS模块化设计的重要技术储备,建议在现有DAB技术平台基础上开展预研,特别关注其在光储充一体化系统中的集成应用潜力。