2019年11月26日 | 快速充电站的多用性会使电动车数量暴增

翻译自——electronicdesign，Lou Frenzel from TI

由于缺乏充电站和较长的充电时间是阻碍电动汽车未来发展的两大障碍。目前各大厂商正在努力改变这种情况。

毫无疑问电动车将是我们的未来。几乎所有的汽车制造商都已开发出电动汽车模型，或承诺将很快开发新的电动汽车。在内燃机(ICE)占据主导地位100多年后，制造商们终于放手，致力于电动汽车的未来。

虽说这样与燃油车分手很舍不得。尽管化石燃料的储存依然丰富，温室效应状况也有了改善，但由于绿色出行的倡导、政府法规和购买者的普及正推动着世界向电动汽车发展。

发展道路上的拦路虎

除了汽车制造商从基于ICE产品线转变为基于EV产品线需要数十亿美元的投资外，有限的续航里程和过长的充电时间是电动车饱受诟病的两大因素。

典型的燃油车在加满油前的行驶里程可达400英里，还有成千上万的加油站的帮助。

大多数电动汽车充电一次能跑100英里就算很不错了，但电池性能更好的新车型现在可以在充电前跑200英里，300英里肯定会成为普遍现象。电池的持续发展将在不久的将来提升这一范围。

消费者“里程焦虑”的另一个因素是充电站数量有限。如果附近有大量充电站，短程充电是可以接受的，目前的数量尚且不够。为了使电动汽车在哪里都能够补充电量，充电站的数量应该与我们今天可以使用的加油站数量相等。

福特最近宣布与美国电气化公司和绿地公司合作开发一个全国性的电动汽车充电网络—FordPass Charging充电网络，该网络由12000个充电站和35000个插头组成。这些电站将具有高功率直流充电能力，将加快充电速度。如今，即使使用高压直流电源，完全充电也需要大约30分钟。与加满一次汽油的时间很少超过10分钟相比，谁愿意等那么久?

一旦公众充分意识到这数以千计的快速充电站将逐步建成，电动汽车的销量很快就会大幅增长。

性能更好的电力电子的解决方案

所有的高压直流充电站的主要需求是低成本、高效率的AC-DC和DC-DC转换器，这大大加快了充电站的充电速度。这些充电器直接连接到汽车的主驱动电池上，为主驱动电机提供400v或更高的电压。像这样给电池充电需要很大的电力。这种被称为L3级的充电器会直接连接到三相交流电源线上。

汽车工业和汽车工程师协会(SAE)已经为电动汽车充电器建立了一些正式的标准，通常被称为电动汽车供应设备(EVSE)。下表总结了这些类型的充电器。

1级和2级充电器内置在车辆上，被称为车载充电器(OBC)，在家庭、工作、私人/公共插座上充电。1级和2级的充电时间很长，但在夜间充电是没问题的。

3级充电器用于公共充电站。有了三相电网电力输入，充电时间可能大大缩短。3级充电器直接将直流电送到电池。输出200- 800V范围和400 A左右的电流水平，充电时间大大减少。据介绍3级充电器可以在20分钟内为电池充电80%，是未来电动车健康发展的良药。

直流充电机体系结构

下图显示了一个通用的架构，可以把它想象一个3级充电器。它从电网接收三相交流电，对其进行过滤，然后提供功率因数校正(PFC)，使交流电整流成直流电。DC-DC转换器开发所需的高压直流连接到电池上。嵌入式MCU控制整个系统，包括PFC、整流器和转换电路的门驱动器。这是一个简单的介绍，实际的电路要复杂得多。

下图说明了典型的电路。交流输入应用于PFC和维也纳整流电路。控制MCU的脉宽调制(PWM)开关MOSFET，从而发生整流和功率因数校正。

这里，介绍一下维也纳整流电路。]VIENNA整流器电路结构简单，开关管数量少，可以实现三电平运行，同等输出电压情况下，能有效地降低开关管的电压应力。另外，该电路具有三电平结构，因而，在确定电流纹波要求下，可以采用较小的滤波电感。由于上述特点使得该电路在单相功率因数校正(PFC)场合具有良好应用前景。

高压输出被应用到两个并联谐振的DC-DC转换器，产生为电池充电的输出电压。变换器MOSFET由单片机PWM信号驱动。全桥电路之间的变压器耦合提供了输入和输出之间必要的隔离。

注意，在上图中输出阶段是并联的。为了扩大输出功率以实现更快的充电，大多数像这样的dc-dc转换器可以堆叠或进一步并联。有了这种安排，就可以容纳多种功率级别。

实现L3充电器

德州仪器的TIDA-010054双主动桥参考设计是为L3充电器所精心设计的。下图显示了电路和相关部分，如碳化硅栅极驱动器。

此图显示了双有源全桥单相DC/DC变换器(DAB)的组成，左边是维也纳的高压桥整流器/ PFC (700 - 800 V),右边是电源电路, 为电池充电(380 - 500v)。这样的安排可使叠加转换器实现高功率输出，并提供双向操作模式，支持电池的充放电应用。

本设计的一些主要特点:

软切换换相

效率在97%到98%之间

隔离电压和电流感应

电隔离

TI的C2000 MCU TMS320F280049数字控制控制器

最大输出功率为10kw

SiC MOSFET器件

这些转换器的关键元件是开关晶体管。以前的设计使用双极结晶体管(BJT)，但很快被MOSFET取代。不久的将来，基于超级结技术的功率MOSFET已成为高压开关转换器领域的业界规范，有些设备不能处理的问题，如涉及的非常高的电压和电流这种可以由IGBT处理。

如今的趋势是使用更多功能的SIC MOSFET。这些设备可以很容易地管理电压高达1000v或更高的高电流水平。它们的开关速度更快(最高可达100 kHz)，并且具有更低的通阻，有助于提高效率。

使用能够处理双向功率的dc-dc转换器是当今充电站设计的趋势。这种配置允许车辆内部能够灵活安排其他充电和负载供电应用。车辆对电网(V2G)模式是一个比较理想的特性，该模式允许车辆电池将电力送回电网。

延伸阅读——OBC

这几年，我国不断提倡发展包括新能源汽车在内的节能汽车，其中电动汽车（EV）成为一大热点，而车载充电（OBC）是电动汽车应用中的一大重要部分。

EV充电解决方案

AC充电

每辆车都有一个车载充电器（OBC）

在家庭、工作、私人/公共插座上充电

最大公共电源充电电平 @ AC充电站

7.2kW（32A单相），22kW（三相）

充电时间：

对于AC充电站 7.2kW@32A，为3-4小时

DC充电

适用于短暂停留和大量充电

（例如，长途旅行）

充电电量 ≥50kW@ ≥100A

充电@ EV充电站

对于80%充电，充电时间通常需要30-60分钟

AC充电解决方案 - 概述

车载充电器（OBC） - 主要特点

OBC是一个由（PFC + 隔离DC-DC）主级组成的AC-DC转换器

功率水平可达22kW

输入电压

EU：230 Vac或 400 Vac

US：120Vac或 240 Vac

电压输出范围：200VDC-450VDC

高效率

需要AEC-Q101功率分立器件

AEC-Q100集成电路需要为

最小尺寸

OBC电源架构  — 主模块框图 

（3ph + Neutral）输入：模块化方法 

3x（相位到中性）供电优势

模块化方法3x（PFC + DC-DC）模块具有共同输入，可实现：

1.简单的系统实现

非常容易从单相解决方案修改为3相供电解决方案。3相中的每一相都可采用典型单相拓扑。

2.系统可靠性更高

即便一个或多个模块发生故障，仍能保证充电功能

3.更高的系统效率

对于部分加载请求，  三个模块中仅有一些是接通的