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dsPIC33全數位1.6kW雙向雙電池系統饋線平衡器
 

【作者: 李政道】   2020年12月23日 星期三

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自從Karl Friedrich Benz於1886年設計並製造了世界上第一輛能實際應用的內燃機發動的汽車,人類開始了汽油汽車的歷史。然而啟動汽車引擎需要啟動機,因此伴隨著電動啟動機的成熟發展,蓄電池也跟著普及起來,最終每台家用汽車上都有著一顆看似不起眼卻無比重要的蓄電池。電池電壓也從一開始的6V,於50年代左右幾經波折提升至12V,並沿用至今。


緊接著汽車科技的發展與設備不斷的推陳出新,往往同時提高電能的消耗功率,令12V的電池系統漸顯疲態;加上車商為了節能減碳,紛紛朝向混合動力發展,將越來越多的傳統機械驅動模組改為馬達驅動方式。變動的幅度越大,效益越高,卻也加劇12V系統效益不彰的問題。


為了提高馬達的效能、縮小體積與重量,其中一個方法是提高電壓。但高壓卻有安全疑慮,50V以下是人體可以承受的安全電壓,歐洲法規更規定超過60V電壓的系統,在導線和連接處就要採用特殊的絕緣措施,無形中增加成本與重量,所以48V電池系統便是兩者之間的平衡點。目前的車子便對耗電量重的驅動模組提供48V電壓,傳統弱點模組則維持採用12V電壓,因而車子內同時存在兩種電池電壓系統,如圖一所示。



圖一
圖一

為符合市場需求,Microchip提供了1600W Bus Balancer參考設計方案。如圖二所示,此設計方案可對雙電池系統互相進行充放電,以確保12V系統用電無虞,安全系統得以保持工作狀態,並且不需額外的12V充電器。採用是模組化的設計,一個模組400W,參考設計為四個模組並聯產生1600W功率。



圖二
圖二

每個模組採用Synchronous Buck的架構,如圖三所示。Q1A與Q1B為主開關,Q2A、Q2B、Q3A、Q3B為雙向斷路保護開關。



圖三
圖三

效率曲線圖如圖四,Eta曲線包含四個斷路保護開關,Eta_WS曲線則為單純雙向轉換器的效率,最高效率約97%。



圖四
圖四

基於dsPIC33EP64GS506之參考設計基本規格如下:


‧ Topology: Synchronous Buck


‧ Main Controller: dsPIC33EP64GS506


‧ 48V rail: 25Vdc - 55Vdc


‧ 12V rail: 10.5dc - 18dc


‧ Iout: 0A - 120A (adjustable)


‧ Efficiency: ~97% (@700W)


‧ Switching frequency: 87 kHz per phase (interleaved, input/output switching frequency 350 kHz)


‧ Reverse bias protection on both rails: Yes


‧ Input filter: Yes


‧ Redundancy: Yes (50%)


對Bus Balancer及dsPIC數位電源開發工具有興趣的讀者,請參考官方網站 https://www.microchip.com/design-centers/automotive-solutions/automotive-applications/powertrain-ev-hev/dc-dc-converter,亦歡迎與我們經驗豐富的設計團隊聯繫。


本文作者為:Microchip工程師 李政道


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