電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)有哪些設(shè)計(jì)方案？

大功率直流充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家大功率充電標(biāo)準(zhǔn)“Chaoji”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)目標(biāo)是未來(lái)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電5分鐘行駛400公里。

“Chaoji”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

最大電壓：目前1000V (可擴(kuò)展到1500V);

最大電流：帶冷卻系統(tǒng) 500A(可擴(kuò)展到600A);

不帶冷卻系統(tǒng) 150-200A;

最大功率：900KW。

大功率直流充電系統(tǒng)架構(gòu)

大功率直流快充系統(tǒng)一般由以下幾部分構(gòu)成：

三相有源整流前端完成AC-DC轉(zhuǎn)換;

功率因數(shù)校正(PFC);

具有隔離功能的DC-DC轉(zhuǎn)化器，輸出電動(dòng)車(chē)電池需要的電壓。

圖片來(lái)自：onsemi

如下圖25kW的直流充電樁的架構(gòu)圖所示，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要充電樁的輸出功率和使用場(chǎng)景的不同，考慮到更多的維度包括：

功率拓?fù)?，包括PFC和DC-DC的電源拓?fù)?

開(kāi)關(guān)調(diào)制模式;

開(kāi)關(guān)頻率及損耗;

整機(jī)熱管理;

輔助電源設(shè)計(jì);

單相還是雙向。

25 kW電動(dòng)車(chē)直流充電樁的高級(jí)框圖

圖片來(lái)自：onsemi

有源整流升壓級(jí)(PFC)

常見(jiàn)的商用直流充電器要求實(shí)現(xiàn)0.99的功率因數(shù)和低于7%的總諧波失真。

3相6開(kāi)關(guān)有源整流與T-NPC或I-NPC等3級(jí)PFC維也納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，高效而且可以實(shí)現(xiàn)雙向輸出，元件數(shù)量也少。

系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率被設(shè)定為70 kHz，以保持二次諧波低于150 kHz，傳導(dǎo)輻射能夠得到控制，也簡(jiǎn)化了EMI濾波器的復(fù)雜性。

三相6開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有功率因數(shù)校正(PFC)

圖片來(lái)自：onsemi

雙有源全橋(DC-DC)

DC-DC級(jí)包含兩個(gè)全橋、一個(gè)25千瓦的隔離變壓器和一個(gè)初級(jí)側(cè)的外部漏電感，以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。

雙有源橋(DAB)DC-DC級(jí)

圖片來(lái)自：onsemi

雙有源橋(DAB)在實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，利用移相調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)在200 V至1000 V的輸出電壓時(shí)，峰值的能效達(dá)到98%。開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為100 kHz，將開(kāi)關(guān)損耗、磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

另一種方案是CLLC諧振轉(zhuǎn)換器，是對(duì)LLC的改版，可實(shí)現(xiàn)雙向工作。然而如果想要，控制、優(yōu)化和調(diào)整CLLC以實(shí)現(xiàn)雙向功能，并在較寬的輸出電壓范圍實(shí)現(xiàn)高輸出功率，需要結(jié)合頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制，控制相對(duì)復(fù)雜。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)消息：電動(dòng)汽車(chē)(EV)直流快速充電機(jī)繞過(guò)安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的車(chē)載充電機(jī)，直接為電池提供快速直流充電。如下圖所示，直流快速充電機(jī)由一級(jí) AC-DC 和一級(jí) DC-DC 組成：

圖 1. 直流快速充電機(jī)由一級(jí) AC-DC 和一級(jí) DC-DC 組成

在優(yōu)化系統(tǒng)效率的同時(shí)最大限度縮短充電時(shí)間是直流快速充電機(jī)的主要關(guān)注點(diǎn)。在設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮器件選型、電壓范圍和負(fù)載要求、運(yùn)行成本、溫度、堅(jiān)固性和環(huán)境保護(hù)，以及可靠性。

相比傳統(tǒng)硅(Si)和 IGBT 器件，基于碳化硅(SiC)的器件由于具有工作溫度更高、導(dǎo)通損耗更小、漏電流更低、浪涌耐受能力更強(qiáng)、最大額定電壓，以及整體功率密度更高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更好的性能。但是，要充分利用這些優(yōu)勢(shì)，則必須對(duì)功率變換器拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。

本文旨在探討數(shù)種考慮用于快速充電機(jī)系統(tǒng)的功率變換器拓?fù)浜鸵恍┛衫玫墓ぞ?資源，以及包含多項(xiàng)關(guān)鍵比較的匯總表格。

無(wú)論是在家庭或公共區(qū)域、高速公路通道還是為車(chē)隊(duì)充電，對(duì)交流電網(wǎng)的功率需求可從 2.2 kW 一路升到 1 MW。此類(lèi)電網(wǎng)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 電源塊，可根據(jù)充電位置和車(chē)輛類(lèi)型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足更高或更低的不同需求。功率級(jí)別和系統(tǒng)的一般疊層方式如下圖所示：

圖 2. 功率級(jí)別和系統(tǒng)的一般疊層方式

接下來(lái)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要分析直流快速充電應(yīng)用的實(shí)用性。首先，此類(lèi)充電機(jī)安裝在需要寬電池電壓范圍和寬負(fù)載曲線的公共區(qū)域。例如，目前道路上的大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)的電池電壓均在 350 V - 450 V 范圍內(nèi)，而新車(chē)型則采用 800 V 電池。此外，每一款電動(dòng)汽車(chē)電池都有不同的充電曲線，這意味著電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足寬負(fù)載曲線和高滿載能力的需求。分析客戶行為也很重要，因?yàn)榕c家用充電機(jī)不同，車(chē)輛幾乎始終會(huì)行駛到充電位置，因此此時(shí)的需求轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)熱電池和快速上升到峰值充電功率。您可以在左上圖中看到這一點(diǎn)，以及一些電池制造商所建議的電池容量達(dá)到 80% 時(shí)充電速率下降。

對(duì)于商業(yè)運(yùn)營(yíng)商而言，運(yùn)營(yíng)成本對(duì)投資至關(guān)重要。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè) 360 kW 充電站，假設(shè)充電站每天運(yùn)營(yíng) 12 小時(shí)，充電單價(jià)為 25 美分/千瓦小時(shí)，如果充電效率提高 2%，每個(gè)充電站每天可節(jié)省約 22 美元。電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性也推動(dòng)充電系統(tǒng)對(duì)新車(chē)型的高度靈活性和更小的安裝占地面積的需求。

下面我們總結(jié)了快速充電機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)目標(biāo)：

寬電池電壓范圍(350 V - 800 V)

寬負(fù)載曲線(單輛車(chē)/多輛車(chē))和電池緩沖器(用于高性能車(chē)輛)

針對(duì)滿負(fù)載充電進(jìn)行優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)雙向性，滿足回饋電網(wǎng)應(yīng)用的需求

靈活，可適應(yīng)新行業(yè)趨勢(shì)/標(biāo)準(zhǔn)

安裝占地面積小

降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)盈利

堅(jiān)固耐用，工作溫度范圍廣

記住上述要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，一起來(lái)了解一些功率拓?fù)?。隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，車(chē)載充電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)對(duì)于充電機(jī)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文將重點(diǎn)介紹新能源車(chē)載充電機(jī)OBC(車(chē)載充電機(jī))的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，包括數(shù)字控制核心算法的應(yīng)用和PFC和LLC等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本文還將分享一些實(shí)際研發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，并提供了相關(guān)電源PFC資料和維也納設(shè)計(jì)資料等方面的寶貴參考。

二、設(shè)計(jì)方案

數(shù)字控制核心算法

在新能源車(chē)載充電機(jī)OBC的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，數(shù)字控制核心算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心。數(shù)字控制具有精度高、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已成為電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。在本文中，我們將介紹一種基于電壓電流環(huán)控制的數(shù)字控制算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電壓和電流調(diào)節(jié)。

PFC和LLC的應(yīng)用

PFC(功率因數(shù)校正)和LLC(半橋變換器)是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。在本文中，我們將介紹一種采用TMS320F28035芯片實(shí)現(xiàn)PFC和LLC的設(shè)計(jì)方案。該方案具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

三、新能源汽車(chē)充電機(jī)設(shè)計(jì)方案

本文還提供了一些新能源汽車(chē)充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù)資料，包括6KW雙向升降壓48-54DC輸入、320Vbc輸出等。具體設(shè)計(jì)方案包括電路拓?fù)?、控制算法、保護(hù)電路等方面。

多乘用電動(dòng)汽車(chē)主已經(jīng)習(xí)慣了這種操作，下班回到家，把汽車(chē)連接在家用慢充充電樁上，但很多電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主不知道的是，為電動(dòng)汽車(chē)充電的，其實(shí)不是充電樁，而是汽車(chē)上的車(chē)載充電機(jī)(On-board charger;OBC)，家用的慢充充電樁，只是提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)充電接口。

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)，按照其所在位置，劃分為車(chē)載充電機(jī)和非車(chē)載充電機(jī)兩類(lèi)。

車(chē)載充電機(jī)以交流電源作為輸入，輸出為直流電，直接給動(dòng)力電池包充電，與地面的交流充電樁適配。

交流充電樁交流輸入，交流輸出，不能直接給動(dòng)力電池充電，需要連接車(chē)載充電機(jī)進(jìn)行電力變換，才能實(shí)現(xiàn)充電。

交流充電樁內(nèi)部比較簡(jiǎn)單，基本功能就是將電網(wǎng)交流電引出到方便電動(dòng)汽車(chē)充電的位置，并提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的充電接口，并可完成計(jì)費(fèi)等額外功能，可以簡(jiǎn)單理解為“一個(gè)帶電表的插座”。

車(chē)載充電機(jī)的輸入端以標(biāo)準(zhǔn)充電接口的形式固定在車(chē)體上，用于連接外部電源，車(chē)載充電機(jī)的輸出端直接連接動(dòng)力電池包慢充電接口。

中華人民共和國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QCT895-2011電動(dòng)汽車(chē)用傳導(dǎo)式車(chē)載充電機(jī)》中規(guī)范了車(chē)載充電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)。

主要分為輸入端口、控制單元、功率單元、低壓輔助單元和輸出端口。

標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓，但如果功率需要，也可以啟用兩個(gè)備用pin口，可以實(shí)現(xiàn)三相380V輸入。

功率單元一般包括輸入整流、逆變電路和輸出整流3個(gè)部分，將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動(dòng)力電池系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電。

通常對(duì)于整車(chē)廠來(lái)說(shuō)，車(chē)載充電機(jī)的要求是成本低、尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)，同時(shí)可靠性和安全性都較高。

目前主流的乘用車(chē)領(lǐng)域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kw等，客車(chē)領(lǐng)域一般是40kw和80kw等，按冷卻方式可分為水冷型和風(fēng)冷型。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的升級(jí)，獨(dú)立車(chē)載充電機(jī)的發(fā)展越來(lái)越受到集成化功率單元的挑戰(zhàn)。

在如特斯拉等新能源汽車(chē)制造商的新款產(chǎn)品中，OBC被同DC/DC變換器或PDU等整合在一起，形成“黑箱式”結(jié)構(gòu)，這對(duì)產(chǎn)品功率密度、熱管理性能等提出了更高的要求。