電動車部署展望簡要

 

電動車、電動動力總成和汽車功能電子化技術(shù)已存在多年。事實(shí)上，第一輛電動汽車（EV）在19世紀(jì)末問世。

 

然而，近年來，人們對這種替代燃料技術(shù)的興趣重生，特別是在20世紀(jì)末。由于希望減少對氣候的影響，該行業(yè)正轉(zhuǎn)離內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。

 

基于內(nèi)燃機(jī)的車輛以石油為燃料，這是一種日益稀缺的資源，嚴(yán)重污染環(huán)境，是氣候變化的主要促成因素。

 

直到最近三到五年，我們才看到隨著法規(guī)的出臺、基礎(chǔ)設(shè)施的部署以及更多的插電式混合動力車（PHEV）和電池電動車（BEV）車型，行業(yè)開始采取具體行動推廣，電動車生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)增，最終提高了電動車的普及率。

 

圖 1. 19 世紀(jì)末的電動車

 

近期這加速發(fā)展的最主要驅(qū)動力之一是對全球汽車制造商實(shí)施的排放監(jiān)管政策。在歐洲，自去年（2020年）開始生效的更嚴(yán)格的措施可能對不遵守這些措施的汽車制造商的底線[1]產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些法規(guī)在未來幾年將逐漸變得更加嚴(yán)格。難怪汽車制造商正在迅速行動，增加他們的BEV車型，實(shí)際預(yù)測到2025年將有300款車型上路[2][3]。

 

在消費(fèi)者端，政府在過去幾年里一直在向新能源車車主提供不同性質(zhì)的好處，以支持過渡到替代燃料車。從稅收減免，到免費(fèi)停車和充電服務(wù)，以及使用高乘載車輛（HOV）車道。

 

圖 2. 按不同生產(chǎn)日期推出的 BEV 市場

資料來源: McKinsey/IHS Automotive (2019年7月)

 

此外，如果我們看看最近和現(xiàn)在，新冠肺炎(COVID-19) 一直是并將繼續(xù)是孵化幕后趨勢的加速器，如機(jī)器人化、5G和聯(lián)接，當(dāng)然還有電動車......特別是，以新技術(shù)和創(chuàng)新為主的多年投資計(jì)劃——無論是在公共還是私人領(lǐng)域。這些力量正在刺激電動車和PHEV的銷售增長，特別是現(xiàn)在在歐洲。中國一直是采用、市場增長和產(chǎn)品的開拓者，但最近幾個(gè)月，歐洲的銷售量已趕上了中國，達(dá)到了140萬輛的整體水平，同比增長137%。中國和美國的數(shù)字分別徘徊在134萬輛和33萬輛左右[4][5][6]。

 

圖 3. 預(yù)計(jì)2020-2024 年新能源車的銷量。報(bào)告于2020 年 COVID-19 影響之前發(fā)布

 

電動車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。需求正在強(qiáng)勁增長

 

除了促進(jìn)采用新能源車的直接激勵(lì)和措施外，整個(gè)環(huán)境還有其他變化也在加強(qiáng)向電動汽車的過渡。過去一直有一些潛在的路障阻礙了向新車型的演變，最突出的是：續(xù)航里程焦慮、新能源車輛的價(jià)格（屬于 "高端 "內(nèi)燃機(jī)汽車類別的價(jià)格范圍），最后，電池的充電時(shí)間與傳統(tǒng)車輛給油箱加油的時(shí)間（一個(gè)簡單、眾所周知的概念和快速過程）相比。增加電池容量和車輛優(yōu)化的千瓦時(shí)/公里比率，正在解決續(xù)航里程焦慮問題。近年來，BEV的價(jià)格正在穩(wěn)步下降，并越來越接近更廣泛的大眾市場類別，同時(shí)，如前所述，提供的車型更多了。

 

剩下的最后一個(gè)障礙是充電時(shí)間，慢速充電（有效功率不超過22 kW）和快速充電系統(tǒng)（22-400 kW及以上目標(biāo)）同時(shí)存在。特別是慢速充電系統(tǒng)已經(jīng)在家庭、公共停車場和工作場所的停車場相對廣泛使用（圖4）。不同的是，快速充電系統(tǒng)主要在公共場所、商業(yè)區(qū)或充電站/樁使用，因?yàn)樗鼈冃枰獙Ｓ玫碾娏A(chǔ)設(shè)施，意味著大量的投資。在慢速充電的最高額定功率下，該系統(tǒng)可提供多100公里續(xù)航里程，約50-60分鐘，但即使是這些也不能輕易部署在家庭。在較低的功率端，當(dāng)使用專用電纜連接到標(biāo)準(zhǔn)插座時(shí)，家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小時(shí)（取決于地區(qū)和適用的法規(guī)，功率可能會更大），但需要約5小時(shí)（3.7 千瓦）來增加100公里續(xù)航里程。相比之下，快速充電系統(tǒng)可在10分鐘內(nèi)提供這續(xù)航里程。對于相當(dāng)一部分駕駛員和使用情況來說，慢速充電可能是個(gè)可行的解決方案，但顯然不適合所有人或每一種情況。

 

圖4. 2019年按國家劃分的私人和公眾可使用的充電樁

 

因此，有效和可持續(xù)地過渡到電動汽車將需要部署快速充電基礎(chǔ)設(shè)施，以跟上道路上BEV的增長步伐。不僅在數(shù)量上，而且在額定功率方面。功率越高，充電時(shí)間越短，這是一個(gè)重要的因素，因?yàn)殡姵厝萘坎粩嘣黾樱浼夹g(shù)不斷改進(jìn)，允許更高的峰值功率（更快的充電速率）。難怪估計(jì)快速充電器的增長預(yù)測，從2020年到2027年，數(shù)量的年復(fù)合增長率為31.8%，同期市場規(guī)模的年復(fù)合增長率為39.8% [9 ]。圖4描述了2019年全球慢速和快速充電器的分布。

 

交流或直流充電：模糊的界限

 

在電動汽車方面，用于充電的電纜和連接器通常被稱為 "充電器"。交流（AC）插座與專用硬件設(shè)備（通常稱為 "墻盒"），作為連接充電線和為車輛充電的接口，被稱為 "充電器"，這可能會引起混淆，因?yàn)槿绻?"充電器 "我們考慮的是發(fā)生電力轉(zhuǎn)換的實(shí)際設(shè)備，那么上面討論的元素就不是充電器。

 

交流充電和直流（direct current, DC）充電是簡單的概念，但由于上述原因可能變得模糊不清。從本質(zhì)上講，兩者的區(qū)別在于將電力轉(zhuǎn)移到車輛的充電端口（而不是進(jìn)入電池）的模式。在交流充電模式下，來自電網(wǎng)的交流電通過交流電插座或充電檔口輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器（OBC）管理交流-直流電的轉(zhuǎn)換--這里正確的名稱是充電器，因?yàn)橛须娏D(zhuǎn)換--并向電池提供直流電壓和電流。另一方面，在直流充電模式下，交流-直流轉(zhuǎn)換由車外充電器進(jìn)行--我們再次談及充電器。圖5說明電動汽車的不同充電方式。由于車外的空間、重量和熱量限制更為寬松，所以直流充電的額定功率有很大的范圍。因此，直流充電的范圍甚至低于11 kW，最高可達(dá)400 kW。當(dāng)然，這些范圍內(nèi)的使用情況可能非常不同。另一點(diǎn)值得注意的是，并不是所有的車輛都能接受高直流電力水平的充電?，F(xiàn)在大多數(shù)已推出的車輛通?？梢栽谥绷髂Ｊ较轮С种辽?0 kW的速率。

 

圖5. 交流充電和直流充電概念圖

資料來源。Yolé Development

 

交流充電通常被稱為 "慢速充電"，這是因?yàn)樗墓β氏拗疲ㄗ罡叨送ǔ?2 kW）和最短的必要充電時(shí)間。交流電的高功率范圍（11-22 kW）有時(shí)可能被稱為 "高功率交流電充電 "或 "快速交流電充電"，但沒有實(shí)際定義。另一方面，那些額定功率為22 kW、甚至高達(dá)400 kW的直流充電器被認(rèn)為是 "快速"。“超快 "一詞也用于50 kW以上的功率，但沒有實(shí)際明確的界限或定義。目前，最常見的直流電能范圍在22-150 kW之間，功率在200-350 kW之間取得進(jìn)展?？焖俸统焖俚闹绷鞒潆姌兑话阒辉谟腥嚯娫催B接到電網(wǎng)的專用區(qū)域公開提供。到目前為止，主要是在高速公路上的充電樁，可能會顯示多個(gè)超快速充電器（每個(gè)>150 kW）。這種設(shè)施需要一個(gè)來自電網(wǎng)的專用高壓變壓器。

 

充電率和時(shí)間

 

為了了解如今的充電時(shí)間，一個(gè)簡單的計(jì)算可以讓我們走得更遠(yuǎn)?？紤]到一輛電池容量為60千瓦時(shí)的汽車（BEV現(xiàn)在釋放的電池容量在30至120千瓦時(shí)之間）[10] 和一個(gè)100 kW的直流充電器，可以得出以下結(jié)果:

 

充電時(shí)間=電池容量（有效）*1[千瓦時(shí)]/平均充電功率[kW] 充滿電池的范圍=電池容量（有效）*1[千瓦時(shí)]/效率[千瓦時(shí)/100公里]60千瓦時(shí)/100 kW=36分鐘

 

60千瓦時(shí)/（18千瓦時(shí)/100公里*2）=~333公里

 

*1 在這個(gè)練算中，考慮的是完整的電池容量。可能有一些電動車會對全部 "有效 "容量構(gòu)成限制。

 

*2 通用值，將取決于每輛車的特性。通常情況下，將在12-23 千瓦時(shí)/100公里之間。

 

必須考慮到，并非所有道路上的車輛都能支持高達(dá)100 kW的直流充電率，目前發(fā)布的車型之間的實(shí)際差異通常在50 kW以下和250 kW以上[11]。同樣，車輛的效率也存在明顯的差異，以千瓦時(shí)/100公里的比率衡量。有可用的數(shù)據(jù)庫[12]提供多種BEV的詳細(xì)信息。此外，充電過程中的平均功率不等于汽車接受的峰值功率，因?yàn)殡S著電池充電狀態(tài)（SOC）的提高，額定功率需要有上限。

 

在任何情況下，上述例子是有啟發(fā)性的，并提供了一個(gè)與基于內(nèi)燃機(jī)的車輛進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。以100千瓦時(shí)的平均速度給我們的電動車充電，需要36分鐘才能提供333公里的里程，或者大約10分鐘才能提供100公里。對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來說，同樣的運(yùn)作需要三到五分鐘才能完成充電。有了這些數(shù)字，難怪市場正在迅速發(fā)展并推動更高的功率解決方案[在電動汽車供應(yīng)設(shè)備（EVSE）方面和車輛方面] 。允許超過350 kW功率。

 

直流充電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

 

為了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化交流和直流充電技術(shù)，促進(jìn)支持電動汽車的兼容EVSE生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)和IEC規(guī)范。這些設(shè)定的框架，盡可能的全球化，幫助協(xié)會和行業(yè)發(fā)展協(xié)議和EVSE。然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是個(gè)微不足道的話題，因?yàn)閬碜圆煌瑱C(jī)構(gòu)的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施方案在全球范圍內(nèi)并存。

 

采用自上而下的方法，講出一些基本的標(biāo)準(zhǔn)（以及發(fā)布機(jī)構(gòu)的總部所在地），如下：

 

●    IEC-68151（瑞士）

●    IEC-62196 (瑞士)

●    IEC61980 (瑞士)

●    ISO1740 9:2020 (瑞士)

●    SAEJ1772 (美國)

●    GB/T18487 (中國)

●    GB/T20234 (中國)

●    GB/T27930 (中國)

 

如果我們研究借鑒這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際充電協(xié)議和生態(tài)系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)三個(gè)全球擴(kuò)展的直流充電實(shí)施方案：CHAdeMO（"charge de move”移動充電的縮寫）、聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）和特斯拉超級充電樁。在中國，唯一的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施的協(xié)議是GB/T，并且也是該地區(qū)獨(dú)有的。下一節(jié)將討論這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的一些特點(diǎn)。

 

直流充電的一些重要標(biāo)準(zhǔn)是什么？

 

IEC 61851。國際電工委員會（IEC）已經(jīng)制定了上一節(jié)中所列的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。IEC61851指的是 "電動汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)"，是IEC系列中電動汽車充電的核心部分，專注電動汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)的不同主題，包括分別達(dá)到1000 V和1500 V的交流和直流充電[13]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同的充電 "模式"，其中前三種 "模式"（1至3）指的是交流充電，"模式 "4談及直流充電。IEC62196定義了 "插頭、電源插座、車輛連接器和車輛進(jìn)氣口"，IEC61980涉及 "電動汽車無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)"。ISO17409:2020是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）關(guān)于電動汽車充電的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是對上述IEC61851的專門補(bǔ)充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電 "模式 "2、3、4的 "電力驅(qū)動的道路車輛--導(dǎo)電電力傳輸--安全要求"。

 

圖6. 闡釋IEC-61851中定義的充電 "模式 "

 

模式4定義了直流充電。資料來源。菲尼克斯電氣。SAEJ1772

 

在北美，管理標(biāo)準(zhǔn)是SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。該文件規(guī)定了在1000 V電壓下提供高達(dá)400 kW的直流充電。與IEC-61851中的充電 "模式 "不同，SAEJ1772規(guī)定了充電 "等級 "并定義了以下內(nèi)容。“交流1級"、"交流2級"、"直流1級 "和 "直流2級"（2017修訂版）。在此需要指出的是，''''三級''''充電仍然是一個(gè)未定義的術(shù)語，被廣泛（和誤導(dǎo)）用來指直流充電。已經(jīng)有 "交流3級 "的實(shí)際項(xiàng)目（盡管從未完全開發(fā)）和 "直流3級 "已被討論。在任何情況下，這些都是不同的概念，不能作為直流充電的同義詞使用。此外，不同地區(qū)和機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)可以交織在一起。SAEJ1772首先定義了用于交流充電的 "SAEJ1772 "連接器類型（命名為 "SAEJ1772連接器"），主要用于北美地區(qū)。后來，IEC-62196采用了相同的連接器，并將其確定為IEC-62196 Type 1，與在歐洲用于交流充電的IEC-62196 Type 2連接器形成對比。由于IEC連接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信號協(xié)議，汽車制造商在銷售汽車時(shí)，要么使用SAEJ1772-2009進(jìn)氣口，要么使用IEC Type 2進(jìn)氣口，具體取決于市場。

 

直流充電協(xié)議

 

正如上一節(jié)所介紹的，有三種主要的充電協(xié)議在全球范圍內(nèi)擴(kuò)展。

 

CHAdeMO - 該協(xié)會于2010年在日本成立，并制定了與之同名的電動車充電協(xié)議。該協(xié)議和組織由日本的主要汽車制造商和其他行業(yè)利益相關(guān)者支持和推動。日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田和松下等等，其中也包括一些歐洲的參與者。這些協(xié)議借鑒了所討論的IEC6185-1、-23、-24和IEC62196標(biāo)準(zhǔn)，定義并使用專用連接器（圖7）。這些協(xié)議的范圍從CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO現(xiàn)在的目標(biāo)是900 kW的充電器，與中國電力企業(yè)聯(lián)合會（CEC）聯(lián)合開發(fā)一個(gè)被稱為 "ChaoJi "的超高功率充電標(biāo)準(zhǔn)[14]。這項(xiàng)合作還致力于成為第一個(gè)全球超快速充電器協(xié)議[[15]]。2020年5月，CHAdeMO報(bào)告實(shí)現(xiàn)了全球安裝32,000個(gè)快速充電器的目標(biāo)[[16]]，其中14,400個(gè)在歐洲。

 

圖7. 快速直流充電器的連接器類型。特斯拉在北美和其他地區(qū)使用一種專有的連接器。在歐洲和其他部署CCS和CHAdeMO網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，特斯拉正在順應(yīng)這些系統(tǒng)。來源：Enel X

 

聯(lián)合充電系統(tǒng)（Combined Charging System, 簡稱CCS）

 

另一個(gè)快速直流充電協(xié)議和系統(tǒng)最初由歐洲和美國的汽車制造商、EVSE基礎(chǔ)設(shè)施制造商和其他行業(yè)相關(guān)參與者開發(fā)和認(rèn)可。亞洲制造商也加入了該組織。這些機(jī)構(gòu)大多正式組織為CharIN協(xié)會，負(fù)責(zé)協(xié)議的開發(fā)和推廣。CCS系統(tǒng)與適用的IEC、SAE和ISO標(biāo)準(zhǔn)一致，支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過200  kW的直流充電能力，350 kW正在準(zhǔn)備中[17]。在撰寫本博客時(shí)，CharIN網(wǎng)樁列出了已部署的超過33,800個(gè)直流充電點(diǎn)的總體數(shù)量，分布在以下功率范圍。6%低于50 kW，58% 50 kW，29% 150 kW和7% 250 kW。CSS規(guī)定了兩種用于直流充電的連接器，Combo 1和Combo（圖8），它們在原來的交流充電對應(yīng)物（Type 1和Type 2）的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)用于直流電流的雙引腳插座。在這種方式下，車輛上的獨(dú)特插座類型（每個(gè)地區(qū)）可以同時(shí)進(jìn)行直流充電和交流充電。大多數(shù)CharIN的歐洲成員以IONITY的名義聯(lián)合起來，努力開發(fā)和部署一個(gè)全歐洲的快速充電樁網(wǎng)絡(luò)。

 

圖8. 帶有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）連接器的充電樁

 

快速直流充電用例和配置

 

在前面的章節(jié)中，我們已討論并了解了快速直流充電：

 

●    它是什么，它不是什么

●    功率和電壓水平以及充電時(shí)間

●    現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

 

在本節(jié)中，討論將使我們更深入地了解這項(xiàng)技術(shù)，并揭示：a）實(shí)際部署直流充電器的配置；b）介紹 "引擎蓋 "下的關(guān)鍵功率電子，這已成為電動汽車的基石。不出所料，快速直流電動車充電是繼電動車本身之后功率電子領(lǐng)域創(chuàng)新的推進(jìn)器之一，也是碳化硅（SiC）等新型電源技術(shù)采用最迅速的市場之一。

 

直流充電樁的基礎(chǔ)設(shè)施配置

 

直流EVSE部署的第一個(gè)也是最常見的使用案例包括一個(gè)端到端的系統(tǒng)，從電網(wǎng)到電動車的電池（圖9）。目前，這使用案例在充電樁和獨(dú)立的單體充電點(diǎn)中都可以找到，其中充電樁顯示了幾個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器。帶有多個(gè)快速或超快速充電器的充電樁需要一個(gè)高達(dá)1 MW（及以上）的高壓電網(wǎng)隔離變壓器，以便可靠地、不間斷地輸送電力。

 

在內(nèi)部，這些充電器由前端的AC-DC三相有源整流級組成，執(zhí)行功率因素校正（PFC）并提升直流鏈路電壓水平。隨后，一個(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換級使輸出電壓和電流適應(yīng)電動車中電池的需要。

 

圖9顯示了該系統(tǒng)模塊。為了最大限度地提高能效和規(guī)模，對高電壓系統(tǒng)的需求越來越大。這既適用于中間母線電壓（在PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器之間），也適用于輸出電壓，因?yàn)?00 V及以上的電動車電池正在變得普遍。

 

如此高功率和高電壓的應(yīng)用獲得了SiC模塊技術(shù)的好處，它表現(xiàn)出更高的擊穿電壓，更低的RDSON和動態(tài)損耗，以及卓越的熱性能。損耗的減少、提高開關(guān)頻率的可能性和增強(qiáng)的熱耗散使系統(tǒng)尺寸的縮小成為可能，無源元件的縮小和冷卻要求的降低。這一系列獨(dú)特的性能使SiC模塊技術(shù)成為高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關(guān)鍵賦能者，可以方便地部署和大量擴(kuò)展。在這種情況下，快速直流充電器的內(nèi)部模塊化也值得注意，因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是每個(gè)15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得系統(tǒng)更加靈活和堅(jiān)固，簡化了生產(chǎn)。

 

圖9. 快速直流電動車充電器的結(jié)構(gòu)圖(左)。具有多個(gè)功率級堆疊的高功率直流電動車充電器(右)

 

第二種EVSE部署配置，隨著電動汽車進(jìn)一步滲透到市場并搶占交通的重要部分，將獲得相關(guān)性，包括儲能系統(tǒng)（ESS）的整合。這個(gè)用例也可能涉及可再生分布式能源資源（DER）的整合，主要是太陽能。這種類型的基礎(chǔ)設(shè)施將是維持電動車環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵支柱，充電樁將成為消費(fèi)的焦點(diǎn)，并需要高的峰值功率。例如，5個(gè)額定功率為100 kW的充電樁將產(chǎn)生半兆瓦的峰值功率。僅僅依靠電網(wǎng)來維持多個(gè)充電樁的這種峰值功率實(shí)際上是不可能的，而這些充電樁將在全國范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。為了能夠在一天中可靠地提供能源，能源將來自電網(wǎng)，并在谷底時(shí)間轉(zhuǎn)移到高壓ESS。此外，太陽能將支持儲存的能量池，以幫助維持能量水平[20]。

 

圖10. 儲能和太陽能與電動汽車充電樁整合的可能框圖

 

這種配置將引起對不同結(jié)構(gòu)的直流充電器的需求，其中整流PFC級和DC-DC級是獨(dú)立的單元。圖10顯示了這種裝置的一個(gè)例子。在前端，三相PFC升壓級（AC-DC）將電力從電網(wǎng)輸送到DC BUS。在后端，該SC-DC雙向轉(zhuǎn)換器提供的由太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量被送入電動車充電器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）或保存在ESS中。綁定在車輛上的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器將使其輸出電壓適應(yīng)電池兼容的電壓水平400 V-1000 V。

 

什么是快速直流充電器中使用的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率器件？

 

在上一節(jié)中，已經(jīng)介紹了快速DCEV充電基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)配置，以及未來可能的典型基礎(chǔ)設(shè)施。下面介紹當(dāng)今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

 

有源整流三相PFC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

前端三相PFC升壓級可以用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而且?guī)追N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足相同的電力要求。在 "解密三相PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) "中詳細(xì)介紹和討論了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動車充電應(yīng)用中常見的PFC架構(gòu)。它們之間的一個(gè)首要區(qū)別是雙向性。T-中性點(diǎn)鉗制（T-NPC）和I-NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過用開關(guān)取代一些二極管而適合雙向操作。6個(gè)開關(guān)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙向的perse。

 

圖11. 用于快速直流電動車充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

T-NPC（左上）、6開關(guān)（右上）和I-NPC（底部）

 

另一個(gè)影響設(shè)計(jì)和功率器件額定電壓的重要因素是架構(gòu)中的級數(shù)。6個(gè)開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)2級架構(gòu)，通常用900 V或1200 V的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)快速直流電動車充電器。這里SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區(qū)域的首選解決方案，特別是對于每塊15 kW以上的高功率范圍。這種集成表現(xiàn)出比分立解決方案更優(yōu)越的功率性能，提高了能效，簡化了設(shè)計(jì)，減小了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，并最大化可靠性。T-中性點(diǎn)箝位（T-NPC）是一種3級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用1200 V整流器（以雙向形式用開關(guān)代替），中性點(diǎn)路徑上有650 V開關(guān)背對背。I-NPC是一個(gè)3級架構(gòu)，可能完全用650  V開關(guān)實(shí)現(xiàn)。650  V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)秀替代方案。

 

圖12. F1-2 PACK SiC MOSFET模塊半橋。1200 V,10 mQ

 

DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

在研究DC-DC轉(zhuǎn)換級時(shí)，主要采用了三種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過渡（ZVT）轉(zhuǎn)換器和全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器（圖13、14和15）。

 

全橋LLC諧振

 

LLC轉(zhuǎn)換器在初級端實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS），同時(shí)--在諧振頻率及以下--在次級端實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)（ZCS），從而在諧振頻率附近產(chǎn)生了非常高的峰值效率。作為一個(gè)純粹的頻率調(diào)制（FM）系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離諧振頻率時(shí)，這可能是需要寬輸出電壓操作時(shí)的情況，LLC的能效就會下降。然而，先進(jìn)的混合調(diào)制方案使今天的脈沖調(diào)制（PWM）與調(diào)頻相結(jié)合，限制了最大頻率失控和高損耗。不過，這些混合實(shí)現(xiàn)方式還是給已經(jīng)有時(shí)很麻煩的LLC控制算法增加了復(fù)雜性。此外，并聯(lián)的LLCs轉(zhuǎn)換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來說，當(dāng)有可能在相對較小的電壓范圍內(nèi)工作時(shí)，和/或當(dāng)具備實(shí)施結(jié)合調(diào)頻和PWM的先進(jìn)控制策略的開發(fā)技能時(shí)，LLC是一種難以超越的設(shè)計(jì)。它不僅可以提供最高的能效，而且從各個(gè)角度看都是一個(gè)非常全面的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實(shí)現(xiàn)，這是另一種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

圖13. 全橋LLC轉(zhuǎn)換器

 

帶有次級同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作，一般來說，需要比LLC轉(zhuǎn)換器更簡單的控制。DAB可以被認(rèn)為是傳統(tǒng)的全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器的演變，但漏電感器在初級端，這簡化了繁瑣的次級端整流，減少了二次開關(guān)或二極管的必要額定擊穿電壓。由于實(shí)現(xiàn)了ZVT，這些轉(zhuǎn)換器可以在很寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的高能效。這對于支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來說是個(gè)方便的因素。DAB的PWM工作帶來了好處。首先，它傾向于使轉(zhuǎn)換器的電磁干擾（EMI）頻譜比調(diào)頻系統(tǒng)中的更緊密。此外，用固定的開關(guān)頻率，系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)的行為更容易解決。通過同步整流，DAB是一種雙向的原生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是快速電動汽車充電器的最通用的替代方案和合適的解決方案之一。

 

圖14.全橋移相式DAB ZVT轉(zhuǎn)換器

 

對于單向操作，傳統(tǒng)的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個(gè)可用的選擇，但滲透率越來越低。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作與DAB類似，但位于次級端的電感器在整流中帶來一個(gè)顯著的差異。電感器在二極管上設(shè)置了高的反向電壓，這將與占空比成正比和反比，因此，根據(jù)工作條件，二極管上的反向電壓可能超過輸出電壓的兩到三倍。這種情況在高輸出電壓的系統(tǒng)中（如電動車充電器）可能具有挑戰(zhàn)性，通常多個(gè)次級繞組（具有較低的輸出電壓）被串聯(lián)起來。這樣的配置并不那么方便，特別是如果考慮到功率和電壓的額定值，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)含單一輸出將提供相同或更好的性能。

 

SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉(zhuǎn)換級中全橋的一個(gè)非常合適和常見的解決方案，起價(jià)為15 kW。更高的頻率有助于縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小整個(gè)解決方案的外形尺寸。 

 

圖15. 全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器

 

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變體

 

所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在多種變體，帶來額外的優(yōu)勢和折沖。圖16顯示了用于快速電動車充電的全橋LLC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)常見替代方案。在移相中，開關(guān)在輸入電壓的一半以下，并使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET、650 V SuperFET 3快速恢復(fù)（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助于解決不同的系統(tǒng)要求。同樣，用于出極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級。這些3級架構(gòu)允許單極開關(guān)，這有助于減少峰值電流和電流紋波，這將導(dǎo)致用更小的變壓器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)之一是，與具有較少電源開關(guān)的2級版本相比，控制算法需要額外的復(fù)雜程度。雙有源橋以及雙有源橋可以很容易地在初級端和次級端并聯(lián)或堆疊，以最配合快速電動汽車充電器的電流和電壓需求。

 

圖16. 3級全橋LLC

 

這種變體在初級端堆疊（只有一半的輸入電壓應(yīng)用于每個(gè)變壓器），在次級端并聯(lián)

 

次級端整流

 

關(guān)于次級端整流，如圖15所示，可以有多種解決方案，而且都可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于400 V和800 V的電池水平和全橋整流，650 V和1200 V的SiC肖特基二極管通常是獨(dú)特的性價(jià)比解決方案。由于其零反向恢復(fù)特性，與硅基替代品相比，這些器件大大增強(qiáng)了整流性能和能效，大大降低了損耗和整流級的復(fù)雜性。硅基二極管，如Hyperfast、UltraFast和Stealth，可以作為成本非常有限的項(xiàng)目的替代品，但要犧牲性能和復(fù)雜性。采用中心抽頭整流的解決方案（圖15）對于高電壓輸出整流級來說并不方便。與全橋整流不同的是，在全橋整流中，二極管的標(biāo)準(zhǔn)反向電壓等于輸出電壓，而在中心抽頭配置中，二極管要承受這個(gè)數(shù)值的兩倍。常規(guī)的全橋移相轉(zhuǎn)換器（電感在次級端），正如所解釋的那樣，在兩種整流方法（全橋或中心抽頭整流）中都需要更高的擊穿電壓二極管。為了克服常規(guī)全橋移相轉(zhuǎn)換器對1200 V或1700 V額定二極管的需求，幾個(gè)輸出將被串聯(lián)起來。

 

其他重要的設(shè)計(jì)考慮因素

 

除了電源轉(zhuǎn)換器中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)器件外，在開發(fā)快速電動車充電器時(shí)，還有其他重要領(lǐng)域需要考慮，尤其是在使用SiC開關(guān)在高頻率下工作時(shí)。

 

門極驅(qū)動系統(tǒng)：

 

在所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，驅(qū)動系統(tǒng)仍然是快速直流電動車充電器的一個(gè)重要方面，對系統(tǒng)性能有直接影響。

 

隔離：

 

在隔離的主題下，首先要考慮的問題之一。鑒于快速直流電動車充電器所討論的高功率和高電壓，電隔離對于高端驅(qū)動器是必須的。對于低端同類產(chǎn)品，盡管從安全角度看并非總是嚴(yán)格必要的，但常見的做法是使用與高端相同的門極驅(qū)動系統(tǒng)和電路。這種方法帶來了多種好處，包括解決方案的實(shí)施和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。一方面，它有利于同一半橋上的開關(guān)器件之間的延遲匹配。這簡化了PWM序列和死區(qū)時(shí)間的控制和實(shí)施，以防止擊穿事件。此外，隔離驅(qū)動器通過最大限度地提高其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）來增強(qiáng)系統(tǒng)的堅(jiān)固性，這在使用快速開關(guān)寬禁帶技術(shù)在高dV/dt驅(qū)動時(shí)特別重要，如SiC。這里還需要指出的是，采用開爾文連接的電源開關(guān)需要一個(gè)浮動或電隔離的驅(qū)動器（在高端和低端）來獲得配置的好處，因?yàn)樗鼘⒋蟠鬁p少損耗和提高傳播時(shí)間。

 

片上保護(hù)和功能:

 

門極驅(qū)動器的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是片上集成功能（除電隔離外）和保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)的要求和開關(guān)的類型，可能需要過電流保護(hù)（"DESAT"）--IGBT和SiC MOSFET的典型保護(hù)--米勒鉗制（避免錯(cuò)誤開啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)，并最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiC的高開關(guān)頻率系統(tǒng)的基本要求。在數(shù)字控制的系統(tǒng)中，內(nèi)置保護(hù)也非常方便，可以提供板載保護(hù)。在系統(tǒng)能效方面，門極驅(qū)動器的接受端和源端能力對于通過快速充電和放電寄生門極電容實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。在使用SiC技術(shù)時(shí)，這在高功率應(yīng)用中特別重要，因?yàn)檫@比基于Si的IGBT或SJ MOSFET實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。

 

電隔離門極驅(qū)動器系列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開發(fā)快速電動車充電器帶來設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)可靠性，在片上集成了多種功能和保護(hù)措施，并顯示出高達(dá)9 A的驅(qū)動電流能力。該產(chǎn)品組合包括單通道驅(qū)動器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7，以及雙通道驅(qū)動器，如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256，以滿足所有使用情況。

 

 

圖17. 電隔離的單通道和雙通道門驅(qū)動器框圖

 

驅(qū)動器電源:

 

與門極驅(qū)動器相鄰的一個(gè)話題是驅(qū)動它們所需的隔離電源。SiC開關(guān)的最佳性能是通過+20 V – 5 V的偏置電壓實(shí)現(xiàn)的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細(xì)節(jié)可以在"Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅(qū)動建議"。同樣，對于門極驅(qū)動器來說，電源需要緊湊和堅(jiān)固，確保在所有工作條件下有穩(wěn)定的電壓軌。圍繞NCV3064開關(guān)穩(wěn)壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助于滿足這些需求。

 

保護(hù)措施:

 

快速直流電動車充電的另一個(gè)重要考慮因素是系統(tǒng)中必要的安全保護(hù)，尤其是法規(guī)所規(guī)定的安全保護(hù)。強(qiáng)制性保護(hù)是針對車外的接地故障電流（GFC），以防止對人體產(chǎn)生危險(xiǎn)的電擊風(fēng)險(xiǎn)。特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專門為EV充電而開發(fā)的，IEC61851-1（前面討論過）和UL 2231-1/2標(biāo)準(zhǔn)分別對其在歐洲/亞洲和北美的實(shí)施進(jìn)行了規(guī)范。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿足這些法規(guī)的要求，為開發(fā)符合安全要求的EVSE提供了現(xiàn)成的解決方案。

 

輔助電源:

 

輔助電源單元（PSU）在電力系統(tǒng)中無處不在，快速直流電動車充電也不例外。隔離反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是方便和可靠的選擇，可以提供低壓系統(tǒng)所需的典型的10-40 W。特別是，對于快速直流電動車充電，直流母線的電壓水平是影響整個(gè)系統(tǒng)的主要因素之一?，F(xiàn)在的趨勢是提高這些水平，以減少特定功率水平的峰值電流并提高能效。如今，直流母線電壓水平高達(dá)800 V（甚至更高）是很常見的，并不是所有的傳統(tǒng)方案都適合電動汽車充電。在這里，圍繞NCP1362準(zhǔn)諧振谷初級端開關(guān)或NCP1252和NCP12700次級端控制器開發(fā)的PSU可以幫助解決這些需求。在開關(guān)方面，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用，因?yàn)樗鼈儙砹顺錾男詢r(jià)比，是900 V DC系統(tǒng)的最佳方案。

 

歸結(jié)一切

 

在本博客的第一章節(jié)，我們已經(jīng)看到了電動車市場的增長是如何加速的，以及為什么隨著更多的電動車上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。在過去的大多月份里，指向這一方向的新聞如雨后春筍般涌現(xiàn)，其中一個(gè)是美國總統(tǒng)宣布的到2030年建立50萬個(gè)直流充電樁網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃[21]。其最終目標(biāo)是推動電動車成為主流，擺脫以內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的交通工具，并應(yīng)對氣候變化?？焖俸统焖俚闹绷鞒潆姌妒请妱悠嚨囊粋€(gè)關(guān)鍵支柱，也是完成生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)不可或缺的元素，在家庭中可以使用較低功率的交流充電替代品，因?yàn)榭梢栽谳^長時(shí)間內(nèi)充電。作為一個(gè)新生的、快速發(fā)展的市場，快速直流電動車充電器的要求和使用案例在不斷升級，留下了一個(gè)需要各種解決方案和不同優(yōu)化的空間。不過，所有這些的共同點(diǎn)將是越來越高的功率、電壓水平和能效。此外，隨著此類基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模推出，競爭格局變得更加嚴(yán)酷，安裝的投資回報(bào)率也將需最大化，預(yù)計(jì)對尺寸、重量、成本和可靠性的限制也會加強(qiáng)?，F(xiàn)在，SiC功率技術(shù)正在成熟，其價(jià)格正在達(dá)到有吸引力的水平，這為先進(jìn)的SiC功率集成模塊技術(shù)的發(fā)展留下了空間。更高的能效和優(yōu)越的熱性能，使充電系統(tǒng)更輕、更小、成本更優(yōu)化，可提供高達(dá)400 kW的功率。除了SiC技術(shù)和功率模塊的內(nèi)在優(yōu)勢，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動車的基石。安森美半導(dǎo)體不僅是SiC技術(shù)和功率集成模塊的一個(gè)領(lǐng)先供應(yīng)商，而且在質(zhì)量上與眾不同。作為極少數(shù)擁有SiC完整供應(yīng)鏈的供應(yīng)商之一，安森美半導(dǎo)體確保我們的SiC分立及模塊產(chǎn)品的最高質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及卓越的運(yùn)營和靈活性。

 

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繼續(xù)學(xué)習(xí):

 

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