OPAL-RT 和 NI 解决方案助力设计横贯加拿大高速公路的电动汽车直流快充系统

公司

多伦多大学 的应用电力电子中心（CAPE） 由雷扎·伊拉瓦尼博士创立，是一家专注于先进电力电子系统和电网集成的一流研究机构。 CAPE与总部位于多伦多的储能公司eCAMION合作，牵头实施了一项由加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）和TargetGHG资助（240万加元）的雄心勃勃的项目，旨在沿横贯加拿大高速公路——这条全长7,821公里、堪称世界最长高速公路之一——建设全国性的电动汽车快速充电基础设施。

挑战

• 电网容量限制：传统电网无法承受在20至30分钟内同时为多辆电动汽车进行快速充电（3级充电）所需的突然且巨大的用电峰值。
• 高压安全与风险：直接在实体硬件上开发和测试60千瓦的高压、大电流转换器电力电子设备，会带来重大的安全风险和高昂的成本。
• 复杂的多级控制：该 系统需要两个不同的充电序列（电网向电池充电和电池向电动汽车充电），其中包含串联连接的充电器、本地控制器以及一个监督控制系统。
• 紧迫的开发时间表：该项目 要求在不到两年的时间内完成商用级转换器原型的设计、配置、调试和认证。

OPAL-RT 解决方案

CAPE 和 eCAMION 实施了一套结合了 OPAL-RT 和 National Instruments HIL/RCP仿真 的工作流程：

• 基于FPGA的电力电子工具箱（eHS）：利用OPAL-RT的eHS工具箱，对电力电子转换器核心和高频变压器进行实时、超高速的FPGA仿真 。
• 硬件在环（HIL）测试：将实时eHS电力电子模型连接到实际的NI cRIO-9082嵌入式控制器，以安全地验证本地和电网接口控制算法。
• 快速控制原型设计（RCP）：交替循环进行离线仿真仿真 、HIL实时仿真仿真 以及RCP，以优化控制参数和软开关相位移闸控策略。
• 无缝硬件接口：在制造物理原型之前，已在实际工作条件下对 10 kHz 隔离式直流-交流-直流转换器拓扑进行了验证。

成果

DGCC 项目成功展示了下一代电网管理：

• 加快产品上市速度：在不到两年的时间里（2018年1月至2019年6月），成功研发、制造并通过认证了一台功能齐全的60千瓦直流快充机原型机。
• 监管认证：最终的转换器设计已获得 UL 和 ESA 的全面安全认证。
• 降低高压研发风险：通过使用实时eHS仿真 ，大幅降低了开发成本，并消除了高功率物理原型测试中固有的安全隐患。
• 优化了电源转换器的性能：通过相位偏移控制和10 kHz开关频率实现了软开关，显著缩小了磁性元件和滤波器的尺寸。
• 环境影响：预计横贯加拿大高速公路沿线的快充网络在运营的前五年内将减少70万吨碳排放。

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