双向充放电电机控制器之 比亚迪

双向充放电电机控制器之 比亚迪

目前市场的主流充电方式分为交流慢充和直流快充两种。交流慢充采用单相220V,使用车载充电机实现,充电功率小,适合家用晚上充电;直流快充作为移动充电的主流,在充电站进行,需要高额的设备成本和较大的占地面积。而大功率车载快充,受制于车载充电机的体积和成本,较难实现。


针对这个痛点,比亚迪在其纯电动车上,采用了双向充放电电机控制器,实现了交流快充。交流快充降低了大功率充电桩的成本,使得充电变得更便捷。


在网上看了一下,很多比亚迪车主体验到了三相380V的交流快充,充电功率能到40kW,相比慢充的7kW要快捷很多。在比亚迪电车使用较多的太原,满大街的40kW交流快充。


比亚迪给这个方案12年申请了发明专利,17年授权。


那比亚迪是怎么实现交流快充的?如何和交流慢充兼容的?除了充电,还实现了哪些功能呢?和之前讨论的大陆方案有什么不同?


电路拓扑






比亚迪的电路拓扑见上图,除了我们熟知的电池、电机、三相逆变桥,还多了很多电路,复杂了很多,这些都是为了实现各种功能而存在的。





下面先分析一下比亚迪动力系统的各模块,后面再结合应用场景分析工作原理。




双向DCDC


当充电时,特别是三相可控整流时,电网电压380V,整流后的直流电压会高于540V,不能直接输给电池(电池300V多点),此时DCDC充当Buck电路,将高压降为低压,给电池充电。

驱动模式下,电池放电,会通过开关将DCDC切除,不工作。


漏电流削减模块


由于是无隔离变压器的逆变和并网系统,逆变器工作后,会存在共模的漏电流问题。所以比亚迪的电路将三相网侧滤波器电容公共点,接到了直流的中点上,以此来抑制漏电流。


三相逆变桥

就是MCU中常见的IGBT逆变桥,由于充电功率远效率电机驱动功率,所以器件选型只需要考虑电机峰值电流即可。


网侧滤波电路


在逆变器整流和逆变时,会产生高频的电流、电压谐波,比亚迪采样了LC滤波器方案,相比单L滤波器,减小了电感体积,提升了滤波效果。带来的问题是电容如果挂在电网或电机输出端,会有无功电流存在。所以必须加一个三相开关,不用时就将电容切除。


网侧预充电路


预充电路应该是避免三相电枪插入时,由于滤波电容两端电压为0,造成网侧过流跳闸。传统的预充电路应该是给逆变桥的直流侧电容充电的,比亚迪的电路里显然不需要,完全可以靠DCDC电路实现直流电容预充。


比亚迪的动力系统实现了电池低温激活、电机驱动、三相充电、单相充电、V2L、V2G等模式,下面结合电路图,看看各模式都是怎么样实现的。


电池低温激活






当动力系统低温启动时,先通过K1给C1预充电,然后断开K1闭合K2。启动DCDC,给直流电容C0不断的充放电,这样功率就在电池和C0之间来回流动。动力电池循环充放电使得动力电池温度升高,达到最佳工作温度范围。


但C0的容值不会很大(成本考虑),稍微一充电,电压就会上升很快。也就是说在电容C0和电池之间循环的功率会较小,对电池温度升高有多大帮助?不知道这是个宣传噱头,还是在实车产品上用了?


驱动模式




驱动模式下,先通过K1给C0预充,然后断开K1闭合K3,同时闭合电机端的K60。这样就和传统的MCU拓扑一样了,可以实现电机的驱动和回馈。


三相充电和V2G




三相充电时,闭合K2、K10、K8,这样三相逆变桥相当于一个主动整流器,将电网的380V交流电,整流为540V的直流电,然后通过DCDC降压给动力电池充电。

电路都是可逆的,所以给电网三相发电原理一致,更改软件策略很容易就能实现V2G。


单相充电和V2L





单相充电时,火线通过K8接入,零线通过K7接入,三相桥整流变成H桥整流,其他的跟三相充电一致。

单相逆变时,电路连接跟充电一样,只需要改变控制策略就可以输出220V交流电,给各种负载设备使用。


八卦


比亚迪的这套方案已经申请专利,国内的专利号是CN103187764B,国外的专利号是WO2014206368A1。另外17年比亚迪主导了《电动汽车用充放电式电机控制器技术条件》标准的制定,已完成征求意见阶段。


除了比亚迪在车上大批量的使用这个方案以外,国内的电擎科技、合康都有相关的产品。


电擎科技的创始人叫周旭光,他也是比亚迪专利的发明人之一(第四发明人)。比亚迪在13年7月份申请了该专利,周旭光在13年11月注册了电擎科技,并在15年申请了和比亚迪专利类似的实用新型和发明专利,只有DCDC有区别。


问题


由于比亚迪的新款车型是多合一控制器,将所有电器设备进行了集成,内部实物很难看到,网上也没有相关拆解报告,比亚迪的具体工程实现暂时还未知。




我好奇如下几个问题:


1、为了实现多种功能,需要用开关变换拓扑电路。我数了一下,一共有8个物理开关。不知道比亚迪用什么实现开关的,继电器还是双向晶闸管?


2、线路如此复杂,不知怎么合理布局走线,感觉是个超难度的挑战。


3、和大陆方案不同,比亚迪没有用电机的电感,而是外置了滤波电感。40kW的充电功率,电流在60Arms左右,电感滤波器怎么散热,是用铁芯中走冷却液,还是贴散热器表面。


4、单相交流慢充时,怎么解决功率二次波动的问题?看了一下,后级的DCDC貌似实现不了PFC。


5、DCDC用的是什么方案?是SiC吗?


6、省略了OBC,增加了DCDC、滤波电路、开关电路,实现了大功率交流快充、V2L等功能,在成本上是否合算?


7、我很好奇这项技术是怎么开始在比亚迪用起来的?是自主研发的,还是买了成熟的技术,还是收编了一个团队。通常我对主机厂干这种高难度、前沿的零部件开发工作,持高度怀疑的态度。因为主机厂和零部件的关注点太多不一致,主机厂除了有钱能招人以外,大多数并没有相关的企业文化能静下心来研发零部件。这样一项有风险、高难度的产品,在比亚迪能推行并大规模使用,相信背后定有牛人的存在。


V2L

最后聊聊比亚迪电车的V2L技术吧,这个功能走到哪里都相当于带了一个大容量的充电宝,会成为很多人买车的重要理由之一。








再来看看迪粉们的评论吧!


「这配置简直逆天了有木有,停路边接上电磁炉弄个关东煮,麻辣烫什么的卖,生意不要太好。城管来了咋办?怕他个球,老子百公里 5.9 秒加速让***的尾气都闻不着。」


「买了这车,万一小区停电了,你就能够在车旁炒菜煮饭,整个小区的人都能雷死。」


「比亚迪可以在高速堵车的时候提供电源,烧水,內部可以充电,凭借这些功能我在车上一壶水一桶方便面卖了三十块。」


「如果是比亚迪唐用上这个技术,后备箱可以放个自动麻将桌,风扇,小冰箱,电视机,,走到哪都不寂寞。不过一定不能三缺一哦……」


「接个 KTV 点歌系统,野外也很嗨……」


「比亚迪的逆变技术完全可用到救护车上,这样以前不能在车上用的急救大功率仪器就可以用了,不必再把伤员运到医院才能急救!」


「这个车可以作为其他电动车的救星—– 充电宝! 不知不觉电动车的里程忧虑,起码被秦攻克一半了…… 有想法,以后买个比亚迪可以给特斯拉充电啦。」


「路上一特斯拉车没电熄火了,刚好看见一比亚迪路过,司机哭着说,让我爆下菊花吧,一段完美的邂逅,从此以后特拉斯车主养成了个习惯路上要注意看看有没有比亚迪的车。」


「应该再开发一个类似电机棒的功能,当有人别车时,碰瓷时,电他一下……」


「理念非常不错,如果部分农村现在还会时不时停电,把能提供更大功率会更好,如果比亚迪能提供家庭用电,必须征服这群人!」


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编辑于 2018-02-01

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