电动车800kW超充技术,磁性元件优化对策
电动汽车充电桩分类与最新标准(功率提升至800kW)
电动汽车充电桩分为直流充电桩和交流充电桩,快速充电的直流充电桩能在20至30分钟内将电池从0%充至80%,充饱只需要40至50分钟,直流充电桩常见的功率有58kW、120kW、180kW、250kW、350kW、360kW、480kW等。而慢速充电的交流充电桩需5至8小时才能充满,常见的功率为7kWMax.电流为32A与11kW,Max.电流为50A,以Tesla Model 3为例,续航里程为450公里,通过交流充电桩从0%充到100%需花费12小时进行充电。相比之下,直流充电速度明显更快,2023年9月,中国工业和信息化部发布了两项电动汽车充电标准(GB/T20234.1-2023和GB/T20234.3-2023),将Max.充电电流从250A提高至800A,充电功率提升至800kW,同时保障新老充电接口的兼容性。为解决电动汽车充电慢的核心痛点,利用提高充电桩的电压和电流实现大功率超充技术,目前电桩输出Max.电流可达800A,Max.电压达到1000V,电动车已进入『分钟级』充电时代。
电动车高功率充电技术下
PFC电感、LLC变压器与滤波电感等磁性元件是效能转换的关键
在充电桩架构中,前级(电源转换初始阶段,包含整流滤波、功率因数校正、EMI滤波)和后级(电源转换后续阶段,包含DC-DC转换、谐振变换、输出滤波)都使用了多种磁性元件来实现高效的能量转换。前级使用的磁性元件有PFC电感、共模电感和差模电感,其中PFC电感用来提高功率因数,减少谐波失真,共模电感则是抑制共模噪声,减少电磁干扰,差模电感处理了滤波和平滑电流。后级会用到差模电感为DC-DC转换器处理滤波工作,主变压器用于电压转换和电气隔离,谐振电感则在谐振变换器中提供高效能量传递。
磁性元件在高功率充电技术中的重要性不容忽视
可从磁芯材料、提高频率、绕线方式、散热管理等技术层面进行优化与设计
高可靠性、高效率、高功率密度充电技术|磁性元件优化与设计的对策
磁性元件从磁芯到绕组优化与设计对于实现800kW高功率超充非常重要,磁芯材料的饱和磁通密度与导磁率,决定了磁芯在特定磁场强度下能容纳的磁通量,高导磁率材料在低磁场强度下容易饱和,高电流则会导致磁通密度急剧增加,使磁芯进入饱和状态,高频操作产生了强烈磁场变化,也会增加磁芯饱和的风险,同时,工作温度升高也会造成导磁率下降,使磁芯更容易饱和,当电感值下降,使滤波效果减弱、共模噪声增加,变压器的转换效率变差,影响整个充电系统的稳定性和可靠性。
CCM模式下的PFC电感面临磁饱和的问题
在连续导通模式下(CCM),电流始终在PFC电感中流动,易导致磁芯持续被磁化,如果电流过大或持续时间过长,磁芯内的磁通量会不断增加,最终达到磁芯材料的饱和点,使电感量会急剧下降,同时,持续高电流会引起PFC电感的发热,温度升高将影响磁芯的磁性能,降低其饱和磁通密度,使得磁芯更容易达到饱和状态,导致PFC电感无法再有效储能和转换电能。
为了实现充电桩的高功率输出,温度升高是Max.的挑战
提高工作频率和缩小磁性元件体积会产生更多热量,散热不佳将导致温度升高,可能损坏元件,而降低充电桩的可靠性和效率,因此,解决散热问题是确保高功率充电桩稳定运行的关键。
液冷模组电源在电流密度降低与高频工作的双重压力下
采用液冷模组电源中,在电流密度的取值要求更小与功率密度要高双条件下,体积要缩小则须提高工作频率,相对的磁性元件受到磁芯损耗、集敷效应、电磁干扰与热管理挑战。
磁性元件影响高功率充电效能的关键|磁饱和电流与温升电流
磁饱和与过热都会对电感的寿命产生负面影响,需要透过制定磁饱和电流(Isat)与温升电流(Irms)两个指标参数,以确保电感在正常工作条件下不会因饱和甚至过热而损坏,在电动汽车充电桩的高功率和高温条件下,磁饱和电流(Isat)能确保电感在大电流条件下不进入饱和状态,保持其储能和平滑电流的能力,温升电流(Irms)则确保电感在允许的温升范围内工作,避免因过热而导致性能下降或损坏,从而,优化充电桩电源系统的整体性能。
磁饱和电流的定义(Isat)
电感一般都含有磁芯,特别是功率电感,磁芯存在磁饱和现象,当磁场强度达到一定程度后,磁感应强度增加的趋势会减缓,最终趋于饱和状态,同时,磁芯的导磁率(μ)会大幅降低,导致电感值显著下降,电感失去其正常的电流抑制能力。
饱和电流是以电感值下降程度为指标的额定电流,通常定义为电感值下降20-30%时的电流,可利用直流叠加的方法,测试电感值在不同电流下的衰减情况,以分析电感磁饱和特性。
温升电流的定义(Irms)
由于电感本身存在了寄生直流电阻,在工作状态下电感内部温度会随着电流增高而上升,一般会将电感自我温升温度不超过20℃或 40℃时的电流当作温升电流,也是电感产品的应用额定电流,确保在此电流范围内工作时,电感器不会因过热而损坏。
MICROTEST 6632S+6243H DC偏置电流源测试系统,支援磁饱和电流扫图分析,电流Max.输出高达640A,频率响应最高100Hz-10MHz,在图形分析模式下,X轴为施加的偏置电流,Y轴为电感值,量测结果直接显示电感值下降百分比(%),为工程师提供更直观的方式,验证高功率电感器的磁饱和电流。
索取更多内容,请下载本篇解决方案
https://www.microtestcn.com.cn/down_show.php?type_id=59