2019年04月23日 | 电动车充电桩知识你了解多少？

日前，特斯拉在上海又发生了一起自然事故，目前事故原因还未确定，但专家们不约而同的分析与电池管理或充电有关。本篇文章就来了解一下插电式电动车的充电方式及架构，了解应该从何处入手解决充电安全问题。

目前，电动车的充电方式主要分三种：非车载充电机（off-board charger）， 安装在电动汽车车体外,将交流电能变换为直流电能；车载充电机（on-board charger），固定安装在电动汽车上运行,将交流电能变换为直流电能；交流充电桩AC charging spot，采用传导方式为具有车载充电装置的电动汽车提供交流电源的专用供电装置。

如图，交流车载充电的好处是节省充电桩成本，更加灵活方便，但是充电功率低，同时增加了车身重量和设计复杂度。而直流充电则可输出更大功率的电流，从而实现超级快充。



交流充电桩或车载充电机一般为3.5KW、7KW 、15KW功率的充电，而直流充电最小支持为20kW，一般规格有30KW、60KW、80KW、120KW、150KW、180KW等。

板载3.3 kW充电器可以在PHEV中为耗尽的16 kWh电池组充电，在240 V电源下大约4小时内充电至95％。

对于交流充电站来说，汽车工程师协会（SAE）设立了标准，分别为：

1级EVSE（通常为住宅充电器）使用家用120 VAC / 230 VAC电源，可提供12 A至16 A范围内的电流，并可在12至17小时内完成24 kWH电池的充电。

2级EVSE（通常用于商业场所，如商场，办公室等）使用多相240 VAC电源为更强大的车载充电器供电，电流在15 A和80 A之间，为24 kWH电池充电大约八个小时。

3级直流充电桩：这种类型的充电站使用外部充电器直接向车辆电池提供高达400 A的高压（300 V-750 V）直流电。

3级直流充电桩由于是直流供电，不需要板载充电控制，输出电流功率更大，典型的24 kWH电池的充电时间不到30分钟。

根据国际电工委员会（IEC）模式定义（IEC 62196标准）的定义，则有四种充电模式：

•模式1 - 从常规电源插座（单相或三相）缓慢充电。
•模式2 - 从普通电源插座缓慢充电，但配备EV专用保护装置。
•模式3 - 使用具有控制和保护功能的特定EV多针插座进行慢速或快速充电（根据SAE J1772和IEC 62196标准）。
•模式4 - 使用特殊充电器技术（如Charge de Move（CHAdeMO））快速充电。

此外，还有四种插头类型：

•Type 1 - SAE J1772-2009汽车插头规格的单相车辆耦合器。
•Type 2 - VDE-AR-E 2623-2-2插头规格的单相和三相车辆耦合器。
•Type 3 - 单相和三相车辆耦合器，配备安全百叶窗，是EV插头联盟的提案。
•Type 4 - 用于特殊系统（如CHAdeMO）的快速充电耦合器。

安全规范和标准

车载和车外充电器都需要遵守地区政府和公用事业委员会规定的各种规范，具体取决于部署地点。一般而言，这些是强制要求的关键安全和操作要求，具体包括：

•电磁兼容性（EMC）发射和抗扰度（美国：联邦通信委员会第15部分A类;欧盟（EU）欧洲标准（EN）：EN 55011，EN 55022和IEC 61000-4）。
•效率（96％及以上）。
•谐波电流总谐波失真（iTHD）<7％（符合电气和电子工程师协会[IEEE] 519要求）。
•机箱保护（例如IP54）。
•连接器类型（CHAdeMO，组合充电系统（CCS）1（SAE J1772组合），CCS2（IEC 61851-23），国标标准GB / T等。
•安全合规性（在美国包括：Underwriters Laboratories（UL）2202，UL 2231-1和UL 2231-2。在欧洲：IEC 62196，IEC 61851，ConformitéEuropéene（CE））。

系统级充电站探讨



如图所示，此为2级商用充电桩的典型示意图，包括转换、控制、监测、通信、接口等功能。

AC充电站和DC充电站之间的主要区别在于存在功率因数校正（PFC）和DC-DC的，如下图所示。PFC确保输入电流与电网电压同相，从而提高电网的整体功率因数。通常，多级AC/DC级需要来自电网的多相交流电并将其转换为高压直流电。第二级DC / DC可以产生稳定的直流电，以便传输到EV，从而绕过板载充电器。



有源PFC功率级存在各种功率级架构：最常用的两种是单相架构和三相架构。

EVSE和板载充电器中的电源架构

如上所述，不同的充电水平会影响车载充电器或EVSE的额定功率。因此，这将电力电子器件分别分为单相输入架构和三相输入架构，其中最大的影响在于PFC电路。

单相架构

PFC是车载充电器/ EVSE的第一步。PFC的目的是将输入电流转换为接近与电网电压同相的正弦波形，从而减少谐波注入电网并提高功率因数，以符合各种国际标准。PFC产生调节的输出电压以供应下游DC/DC转换器。

单相输入架构需要一个单相PFC，它采用一个单相和中性线作为输入。您可以在此处使用单级升压PFC或交错式双级PFC。单级PFC具有简单的优点，并采用低成本控制器。交错式拓扑结构有利于输入与输出电流纹波降低，从而使电磁干扰（EMI）滤波器设计更容易，可采用更小的存储元件和更简单的散热系统。

单相输入架构

第一阶段是提供电流隔离并输出的DC/DC转换器。

第二阶段拓扑结构取决于有源元件的能力。您可以选择各种拓扑结构，包括半桥，硬开关半桥，相移全桥或双半桥。

其他六个主要子系统包括：

•辅助电源：将线路电压输入转换为辅助电源轨。包括栅极驱动器，电流感测电路，电压感测电路和控制器，拓扑通常是隔离的低成本反激拓扑。

•隔离式栅极驱动器：集成了数字隔离器和传统栅极驱动器。它接受来自低压侧DC/DC控制器集成电路的低功率输入，并为高压侧的高功率晶体管的栅极产生高电流驱动输入。它还可以集成多种安全功能，如过流保护，米勒钳位等。

•非隔离栅极驱动器：因为在传统的连续导通模式升压架构中，PFC控制器与PFC功率级具有相同的地。最近有一种趋势是向无桥架构发展，例如采用图腾柱PFC，从而取消了传统的二极管桥，隔离栅极驱动器在PFC中变得越来越流行。

•电压检测：利用电阻分压器可对电压实现检测，但需要注意采取足够的隔离手段。

•电流检测：负责监控DC/DC转换器输入和输出电流的大小和方向，可以使用霍尔传感器的间接电流检测，也可以使用分流电阻的直流检测。

•信号隔离：可在两个具有不同接地电位的系统之间提供电流隔离。它允许来自位于低压侧的MCU的高速通信信号和位于高压侧的DC/DC控制器或PFC控制器进行通信。

三相架构

更高的功率输出需要在电网处具有三相输入源。为了在最小化导体体积的同时最大化功率传输，电网通常以三相方式提供公用电力。



如图所示，三个单相模块可以简单地组合成三相输出，所有子系统的要求都与单相输入板载或EVSE充电类似。

虽然这种结构可能需要增加功率晶体管和传感电路，但它可以减少电流纹波和滤波工作。因此，您可以使用较小的较小的组件，这种模块化组合也减少了PFC和DC / DC控制资源，通过单独的模拟控制器可降低成本并降低中央MCU的控制复杂度。

上图则是另外一种三相架构，这里流行的PFC拓扑结构是三相有源电桥，或维也纳整流器。在这种情况下，下方的DC/DC转换器必须可以在大约700 V电压下工作，或者串联使用降低电压。

此外，控制算法变得更加复杂，这需要更强大的MCU设计。

此外，还使用一个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）。与单相模块化方法不同，需要具有高浮动电压能力的隔离栅极驱动器或半桥栅极驱动器来驱动PFC级。在图中，当实现传统的升压架构时，可以使用非隔离栅极驱动器，因为PFC功率晶体管都位于低侧。

完整的板载充电器

下图显示了基于模拟控制的板载充电器电源架构，额定功率高达3.3 kW。它接受来自交流电网的85-265V的通用输入电压，输出直流电压范围为200 V至450 V，最大值为16 A.它包括一个带PFC的交错式AC/DC转换器，以及脉冲宽度调制（PWM）模拟控制的相移全桥DC/DC转换器。 DC / DC转换器在零电压开关（ZVS）条件下工作，以提高效率和功率密度。



交错式PFC由两个并联的升压转换器组成，并且相位相差180度。

在此实施方案中，一个3.3 kW PFC分为两个1.65 kW PFC级，使用更多（但更小）的组件以获得更好的热量分布。由于电感的电流是异相的，因此它们可以相互抵消并降低纹波。所有这些优点都可以实现更高的功率和更高密度的设计。其他交错的优点还包括易于扩展到更高的功率和更小的尺寸。

PFC的框图包括：

•EMI滤波器：旨在降低差模和共模噪声，以符合EMC监管标准。它可以抑制可能导致其他设备故障的EMI。

它还可以保护下游电力电子设备免受浪涌尖峰和浪涌电流的影响。

•交流电压输入检测：可以读取输入均方根电压，该信息对于MCU在输入电压低于欠压阈值时限制输入电流并执行过压保护非常重要。

•交错式PFC：由TI的UCC28070-Q1等模拟控制器控制。该控制器包含多项创新，包括电流合成和量化电压前馈，以提高功率因数、效率、THD和瞬态响应的性能。

•低功率栅极驱动器，接受来自PFC控制器的低功率输入，并为TI UCC27524A-Q1等高功率晶体管的栅极提供高电流驱动输入。该驱动器能够提供5A源和5A高峰流入栅极的电流，以及轨到轨的输出和非常小的传播延迟（通常为13 ns）。

•单向辅助电源：由TI的UCC28700-Q1等PWM控制器控制。可以将高压转换而来
400 V输入降至多个低压轨。它为PFC侧和DC/DC转换器侧提供偏置电源。典型值包括用于驱动MOSFET的12 V，用于驱动隔离栅极驱动器的16V，以及用于驱动LDO的6.5V。

•电压和电流传感器：由交错式PFC控制器直接完成，电阻分压器执行电压检测，电流检测变压器执行电流检测。

次级侧具有二极管整流的相移全桥拓扑被用作DC / DC，具体包括：

•隔离电压检测：位于DC / DC转换器的输入端，通过隔离放大器（如TI的AMC1311-Q1）执行。隔离电流检测放置在DC / DC转换器的输出端，通过隔离放大器（如TI的AMC1301-Q1）和运算放大器（如TI的OPA376-Q1）执行。 AMC1301-Q1可精确读取电流输入并将其转换为差分输出，运算放大器将差分输出转换为单个输出。

•温度传感器：LMT87-Q1靠近功率晶体管放置，以便在功率晶体管工作期间保持功率晶体管的健康。检查外壳或内部温度（取决于传感器的位置）从而提供过温保护。

•隔离式栅极驱动器：可以是单通道，如TI的ISO5451-Q1，也可以是隔离的双通道，如TI的UCC21520-Q1。它接受来自低压侧DC / DC控制器IC的低功率输入并为高压侧MOSFET的栅极产生一个高电流驱动。

•DC/DC转换器：从PFC获取输出并将其转换为严格遵循电池充电曲线的专用DC输出。相移全桥控制器（如TI的UCC28951-Q1）可驱动初级侧的所有MOSFET。相移全桥拓扑结构具有ZVS的主要优点，显着提高效率和低EMI。

•MCU：用于监控系统的整体状态。它产生输出电压和电流基准，用于控制DC / DC控制器的电压和电流环控制。它还可读取温度，控制风扇以及与液晶显示屏（LCD）和用户界面的接口。此外，数字化接口通过CAN硬件接口与车辆中的其他MCU进行通信。

结论

随着越来越多的电动汽车和混合动力汽车在世界各地上升，汽车系统开发人员将需要提高效率并降低这些车辆的电池充电时间，所有这些都不可以增加太多重量。EVSE和车载充电器都将在电池驱动车辆的部署中发挥关键作用。

虽然工业设计师通常设计EVSE并且汽车供应商设计车辆，但技术必须无缝地工作。考虑到这一点，在本文中，我们试图消除机载充电器和充电站之间的任何混淆。

这似乎只是一个简单的区别 - 车载充电器位于车内，因为它重量更轻，可以为电池充电和安全合规;充电站则位于车辆外部，通过充电连接器直接为车载充电器或电池提供高压和高功率 - 这些系统有更多细微差别。

根据电力输送能力，充电站分为不同级别; 3级充电站可绕过车载充电器，直接提供高达240 kW的功率车辆的电池。充电站和车载充电器都实现类似的功率体系结构，输入可以是单相的，也可以是三相的。

来源：德州仪器