電動(dòng)車(chē)充電樁知識(shí)你了解多少？

日前，特斯拉在上海又發(fā)生了一起自然事故，目前事故原因還未確定，但專(zhuān)家們不約而同的分析與電池管理或充電有關(guān)。本篇文章就來(lái)了解一下插電式電動(dòng)車(chē)的充電方式及架構(gòu)，了解應(yīng)該從何處入手解決充電安全問(wèn)題。

目前，電動(dòng)車(chē)的充電方式主要分三種：非車(chē)載充電機(jī)(off-board charger)， 安裝在電動(dòng)汽車(chē)車(chē)體外,將交流電能變換為直流電能;車(chē)載充電機(jī)(on-board charger)，固定安裝在電動(dòng)汽車(chē)上運(yùn)行,將交流電能變換為直流電能;交流充電樁AC charging spot，采用傳導(dǎo)方式為具有車(chē)載充電裝置的電動(dòng)汽車(chē)提供交流電源的專(zhuān)用供電裝置。

如圖，交流車(chē)載充電的好處是節(jié)省充電樁成本，更加靈活方便，但是充電功率低，同時(shí)增加了車(chē)身重量和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。而直流充電則可輸出更大功率的電流，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充。

交流充電樁或車(chē)載充電機(jī)一般為3.5KW、7KW 、15KW功率的充電，而直流充電最小支持為20kW，一般規(guī)格有30KW、60KW、80KW、120KW、150KW、180KW等。

板載3.3 kW充電器可以在PHEV中為耗盡的16 kWh電池組充電，在240 V電源下大約4小時(shí)內(nèi)充電至95%。

對(duì)于交流充電站來(lái)說(shuō)，汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)設(shè)立了標(biāo)準(zhǔn)，分別為：

1級(jí)EVSE(通常為住宅充電器)使用家用120 VAC / 230 VAC電源，可提供12 A至16 A范圍內(nèi)的電流，并可在12至17小時(shí)內(nèi)完成24 kWH電池的充電。

2級(jí)EVSE(通常用于商業(yè)場(chǎng)所，如商場(chǎng)，辦公室等)使用多相240 VAC電源為更強(qiáng)大的車(chē)載充電器供電，電流在15 A和80 A之間，為24 kWH電池充電大約八個(gè)小時(shí)。

3級(jí)直流充電樁：這種類(lèi)型的充電站使用外部充電器直接向車(chē)輛電池提供高達(dá)400 A的高壓(300 V-750 V)直流電。

3級(jí)直流充電樁由于是直流供電，不需要板載充電控制，輸出電流功率更大，典型的24 kWH電池的充電時(shí)間不到30分鐘。

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)模式定義(IEC 62196標(biāo)準(zhǔn))的定義，則有四種充電模式：

模式1 - 從常規(guī)電源插座(單相或三相)緩慢充電。

模式2 - 從普通電源插座緩慢充電，但配備EV專(zhuān)用保護(hù)裝置。

?模式3 - 使用具有控制和保護(hù)功能的特定EV多針插座進(jìn)行慢速或快速充電(根據(jù)SAE J1772和IEC 62196標(biāo)準(zhǔn))。

?模式4 - 使用特殊充電器技術(shù)(如Charge de Move(CHAdeMO))快速充電。

此外，還有四種插頭類(lèi)型：

?Type 1 - SAE J1772-2009汽車(chē)插頭規(guī)格的單相車(chē)輛耦合器。

?Type 2 - VDE-AR-E 2623-2-2插頭規(guī)格的單相和三相車(chē)輛耦合器。

?Type 3 - 單相和三相車(chē)輛耦合器，配備安全百葉窗，是EV插頭聯(lián)盟的提案。

?Type 4 - 用于特殊系統(tǒng)(如CHAdeMO)的快速充電耦合器。

安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

車(chē)載和車(chē)外充電器都需要遵守地區(qū)政府和公用事業(yè)委員會(huì)規(guī)定的各種規(guī)范，具體取決于部署地點(diǎn)。一般而言，這些是強(qiáng)制要求的關(guān)鍵安全和操作要求，具體包括：

?電磁兼容性(EMC)發(fā)射和抗擾度(美國(guó)：聯(lián)邦通信委員會(huì)第15部分A類(lèi);歐盟(EU)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)：EN 55011，EN 55022和IEC 61000-4)。

?效率(96%及以上)。

?諧波電流總諧波失真(iTHD)<7%(符合電氣和電子工程師協(xié)會(huì)[IEEE] 519要求)。

?機(jī)箱保護(hù)(例如IP54)。

?連接器類(lèi)型(CHAdeMO，組合充電系統(tǒng)(CCS)1(SAE J1772組合)，CCS2(IEC 61851-23)，國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB / T等。

?安全合規(guī)性(在美國(guó)包括：Underwriters Laboratories(UL)2202，UL 2231-1和UL 2231-2。在歐洲：IEC 62196，IEC 61851，ConformitéEuropéene(CE))。

系統(tǒng)級(jí)充電站探討

如圖所示，此為2級(jí)商用充電樁的典型示意圖，包括轉(zhuǎn)換、控制、監(jiān)測(cè)、通信、接口等功能。

AC充電站和DC充電站之間的主要區(qū)別在于存在功率因數(shù)校正(PFC)和DC-DC的，如下圖所示。PFC確保輸入電流與電網(wǎng)電壓同相，從而提高電網(wǎng)的整體功率因數(shù)。通常，多級(jí)AC/DC級(jí)需要來(lái)自電網(wǎng)的多相交流電并將其轉(zhuǎn)換為高壓直流電。第二級(jí)DC / DC可以產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電，以便傳輸?shù)紼V，從而繞過(guò)板載充電器。

有源PFC功率級(jí)存在各種功率級(jí)架構(gòu)：最常用的兩種是單相架構(gòu)和三相架構(gòu)。[!--empirenews.page--]

EVSE和板載充電器中的電源架構(gòu)

如上所述，不同的充電水平會(huì)影響車(chē)載充電器或EVSE的額定功率。因此，這將電力電子器件分別分為單相輸入架構(gòu)和三相輸入架構(gòu)，其中最大的影響在于PFC電路。

單相架構(gòu)

PFC是車(chē)載充電器/ EVSE的第一步。PFC的目的是將輸入電流轉(zhuǎn)換為接近與電網(wǎng)電壓同相的正弦波形，從而減少諧波注入電網(wǎng)并提高功率因數(shù)，以符合各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。PFC產(chǎn)生調(diào)節(jié)的輸出電壓以供應(yīng)下游DC/DC轉(zhuǎn)換器。

單相輸入架構(gòu)需要一個(gè)單相PFC，它采用一個(gè)單相和中性線(xiàn)作為輸入。您可以在此處使用單級(jí)升壓PFC或交錯(cuò)式雙級(jí)PFC。單級(jí)PFC具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并采用低成本控制器。交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于輸入與輸出電流紋波降低，從而使電磁干擾(EMI)濾波器設(shè)計(jì)更容易，可采用更小的存儲(chǔ)元件和更簡(jiǎn)單的散熱系統(tǒng)。

單相輸入架構(gòu)

第一階段是提供電流隔離并輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

第二階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于有源元件的能力。您可以選擇各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括半橋，硬開(kāi)關(guān)半橋，相移全橋或雙半橋。

其他六個(gè)主要子系統(tǒng)包括：

?輔助電源：將線(xiàn)路電壓輸入轉(zhuǎn)換為輔助電源軌。包括柵極驅(qū)動(dòng)器，電流感測(cè)電路，電壓感測(cè)電路和控制器，拓?fù)渫ǔＪ歉綦x的低成本反激拓?fù)洹?/p>

?隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器：集成了數(shù)字隔離器和傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器。它接受來(lái)自低壓側(cè)DC/DC控制器集成電路的低功率輸入，并為高壓側(cè)的高功率晶體管的柵極產(chǎn)生高電流驅(qū)動(dòng)輸入。它還可以集成多種安全功能，如過(guò)流保護(hù)，米勒鉗位等。

?非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器：因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的連續(xù)導(dǎo)通模式升壓架構(gòu)中，PFC控制器與PFC功率級(jí)具有相同的地。最近有一種趨勢(shì)是向無(wú)橋架構(gòu)發(fā)展，例如采用圖騰柱PFC，從而取消了傳統(tǒng)的二極管橋，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器在PFC中變得越來(lái)越流行。

?電壓檢測(cè)：利用電阻分壓器可對(duì)電壓實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，但需要注意采取足夠的隔離手段。

?電流檢測(cè)：負(fù)責(zé)監(jiān)控DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入和輸出電流的大小和方向，可以使用霍爾傳感器的間接電流檢測(cè)，也可以使用分流電阻的直流檢測(cè)。

?信號(hào)隔離：可在兩個(gè)具有不同接地電位的系統(tǒng)之間提供電流隔離。它允許來(lái)自位于低壓側(cè)的MCU的高速通信信號(hào)和位于高壓側(cè)的DC/DC控制器或PFC控制器進(jìn)行通信。

三相架構(gòu)

更高的功率輸出需要在電網(wǎng)處具有三相輸入源。為了在最小化導(dǎo)體體積的同時(shí)最大化功率傳輸，電網(wǎng)通常以三相方式提供公用電力。

如圖所示，三個(gè)單相模塊可以簡(jiǎn)單地組合成三相輸出，所有子系統(tǒng)的要求都與單相輸入板載或EVSE充電類(lèi)似。

雖然這種結(jié)構(gòu)可能需要增加功率晶體管和傳感電路，但它可以減少電流紋波和濾波工作。因此，您可以使用較小的較小的組件，這種模塊化組合也減少了PFC和DC / DC控制資源，通過(guò)單獨(dú)的模擬控制器可降低成本并降低中央MCU的控制復(fù)雜度。

上圖則是另外一種三相架構(gòu)，這里流行的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三相有源電橋，或維也納整流器。在這種情況下，下方的DC/DC轉(zhuǎn)換器必須可以在大約700 V電壓下工作，或者串聯(lián)使用降低電壓。

此外，控制算法變得更加復(fù)雜，這需要更強(qiáng)大的MCU設(shè)計(jì)。

此外，還使用一個(gè)MCU控制PFC(例如TI的C2000 TMS320F28069 Piccolo MCU)和DC/DC控制器(例如TI的C2000 TMS320F28035 Piccolo MCU)。與單相模塊化方法不同，需要具有高浮動(dòng)電壓能力的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器或半橋柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)PFC級(jí)。在圖中，當(dāng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的升壓架構(gòu)時(shí)，可以使用非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)镻FC功率晶體管都位于低側(cè)。

完整的板載充電器

下圖顯示了基于模擬控制的板載充電器電源架構(gòu)，額定功率高達(dá)3.3 kW。它接受來(lái)自交流電網(wǎng)的85-265V的通用輸入電壓，輸出直流電壓范圍為200 V至450 V，最大值為16 A.它包括一個(gè)帶PFC的交錯(cuò)式AC/DC轉(zhuǎn)換器，以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)模擬控制的相移全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器。 DC / DC轉(zhuǎn)換器在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)條件下工作，以提高效率和功率密度。

交錯(cuò)式PFC由兩個(gè)并聯(lián)的升壓轉(zhuǎn)換器組成，并且相位相差180度。

在此實(shí)施方案中，一個(gè)3.3 kW PFC分為兩個(gè)1.65 kW PFC級(jí)，使用更多(但更小)的組件以獲得更好的熱量分布。由于電感的電流是異相的，因此它們可以相互抵消并降低紋波。所有這些優(yōu)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)更高的功率和更高密度的設(shè)計(jì)。其他交錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)還包括易于擴(kuò)展到更高的功率和更小的尺寸。

PFC的框圖包括：

?EMI濾波器：旨在降低差模和共模噪聲，以符合EMC監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。它可以抑制可能導(dǎo)致其他設(shè)備故障的EMI。

它還可以保護(hù)下游電力電子設(shè)備免受浪涌尖峰和浪涌電流的影響。

?交流電壓輸入檢測(cè)：可以讀取輸入均方根電壓，該信息對(duì)于MCU在輸入電壓低于欠壓閾值時(shí)限制輸入電流并執(zhí)行過(guò)壓保護(hù)非常重要。

?交錯(cuò)式PFC：由TI的UCC28070-Q1等模擬控制器控制。該控制器包含多項(xiàng)創(chuàng)新，包括電流合成和量化電壓前饋，以提高功率因數(shù)、效率、THD和瞬態(tài)響應(yīng)的性能。

?低功率柵極驅(qū)動(dòng)器，接受來(lái)自PFC控制器的低功率輸入，并為T(mén)I UCC27524A-Q1等高功率晶體管的柵極提供高電流驅(qū)動(dòng)輸入。該驅(qū)動(dòng)器能夠提供5A源和5A高峰流入柵極的電流，以及軌到軌的輸出和非常小的傳播延遲(通常為13 ns)。

?單向輔助電源：由TI的UCC28700-Q1等PWM控制器控制?？梢詫⒏邏恨D(zhuǎn)換而來(lái)

400 V輸入降至多個(gè)低壓軌。它為PFC側(cè)和DC/DC轉(zhuǎn)換器側(cè)提供偏置電源。典型值包括用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的12 V，用于驅(qū)動(dòng)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的16V，以及用于驅(qū)動(dòng)LDO的6.5V。

?電壓和電流傳感器：由交錯(cuò)式PFC控制器直接完成，電阻分壓器執(zhí)行電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)變壓器執(zhí)行電流檢測(cè)。

次級(jí)側(cè)具有二極管整流的相移全橋拓?fù)浔挥米鱀C / DC，具體包括：

隔離電壓檢測(cè)：位于DC / DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，通過(guò)隔離放大器(如TI的AMC1311-Q1)執(zhí)行。隔離電流檢測(cè)放置在DC / DC轉(zhuǎn)換器的輸出端，通過(guò)隔離放大器(如TI的AMC1301-Q1)和運(yùn)算放大器(如TI的OPA376-Q1)執(zhí)行。 AMC1301-Q1可精確讀取電流輸入并將其轉(zhuǎn)換為差分輸出，運(yùn)算放大器將差分輸出轉(zhuǎn)換為單個(gè)輸出。

溫度傳感器：LMT87-Q1靠近功率晶體管放置，以便在功率晶體管工作期間保持功率晶體管的健康。檢查外殼或內(nèi)部溫度(取決于傳感器的位置)從而提供過(guò)溫保護(hù)。

?隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器：可以是單通道，如TI的ISO5451-Q1，也可以是隔離的雙通道，如TI的UCC21520-Q1。它接受來(lái)自低壓側(cè)DC / DC控制器IC的低功率輸入并為高壓側(cè)MOSFET的柵極產(chǎn)生一個(gè)高電流驅(qū)動(dòng)。

?DC/DC轉(zhuǎn)換器：從PFC獲取輸出并將其轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格遵循電池充電曲線(xiàn)的專(zhuān)用DC輸出。相移全橋控制器(如TI的UCC28951-Q1)可驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)的所有MOSFET。相移全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有ZVS的主要優(yōu)點(diǎn)，顯著提高效率和低EMI。

?MCU：用于監(jiān)控系統(tǒng)的整體狀態(tài)。它產(chǎn)生輸出電壓和電流基準(zhǔn)，用于控制DC / DC控制器的電壓和電流環(huán)控制。它還可讀取溫度，控制風(fēng)扇以及與液晶顯示屏(LCD)和用戶(hù)界面的接口。此外，數(shù)字化接口通過(guò)CAN硬件接口與車(chē)輛中的其他MCU進(jìn)行通信。