【導(dǎo)讀】直流快速充電能夠以更高的功率為電池充電，具有充電速度快、損耗低、充電效率高，可適應(yīng)大容量電池等優(yōu)點(diǎn)，提高了電動車的可用性和便利性，隨著電動車的普及和發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前電動車充電應(yīng)用發(fā)展的主流技術(shù)，市場前景可期。本文將為您介紹直流充電的應(yīng)用發(fā)展趨勢，以及由艾睿電子與Infineon、ST等合作伙伴所推出的相關(guān)解決方案。
直流快速充電能夠以更高的功率為電池充電，具有充電速度快、損耗低、充電效率高，可適應(yīng)大容量電池等優(yōu)點(diǎn)，提高了電動車的可用性和便利性，隨著電動車的普及和發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前電動車充電應(yīng)用發(fā)展的主流技術(shù)，市場前景可期。本文將為您介紹直流充電的應(yīng)用發(fā)展趨勢，以及由艾睿電子與Infineon、ST等合作伙伴所推出的相關(guān)解決方案。
全球直流快速充電市場前景可期
依據(jù)市場分析，預(yù)計到2034年，直流快速充電器將占據(jù)公共充電器市場份額的33%。以美國市場為例，根據(jù)兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案，將提供為期5年的國家電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施（NEVI）50億美元的資助計劃。
在歐洲、中東和非洲地區(qū)，目標(biāo)則是到2030年建立350萬個充電點(diǎn)，并批準(zhǔn)投資15億歐元用于替代燃料基礎(chǔ)設(shè)施，包括跨歐洲網(wǎng)絡(luò)的電動快速充電設(shè)施。
在亞太地區(qū)，根據(jù)麥肯錫的數(shù)據(jù)，預(yù)計到2030年，東盟市場預(yù)計將需要95,000個公共交流充電點(diǎn)和40,000個直流充電點(diǎn)，比目前的數(shù)量多出30倍，其中中國將占據(jù)90%以上的市場份額。
直流充電的應(yīng)用場景將包括50kW – 350kW典型的功率范圍，全球直流充電器在2023的數(shù)量已有868,000個，相較于2022年的330,000個，數(shù)量增長超過60%，依據(jù)2030年的規(guī)劃路線發(fā)展，到2030年美國將有500,000個快速充電器，歐盟則有350萬個充電點(diǎn)，市場發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)可觀。
30kW電動汽車充電器一站式解決方案
艾睿電子的子公司eInfochips看好直流充電市場的發(fā)展，推出了30kW電動汽車充電器一站式解決方案，eInfochips的直流快速充電器設(shè)計，是一款智能、互聯(lián)、面向未來的直流充電器。
eInfochips直流充電器具有10英寸大型HMI顯示屏（亮度1000尼特），可通過LED和揚(yáng)聲器發(fā)出通知，LED可指示電源、故障、充電的狀態(tài)，并具有用于用戶通知的揚(yáng)聲器輸出（3W），可使用EVWER（eInfochips的知識產(chǎn)權(quán)）來進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，支持CCS1/CCS2充電標(biāo)準(zhǔn)，具有超精簡型的電能計量，可支持智能充電／V2G應(yīng)用的OCPP 1.6J/ISO15118標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置過壓／過流、浪涌等系統(tǒng)安全機(jī)制，額定功率達(dá)30 kW/60 A。
eInfochips直流充電器可分成電源模塊、SECC單元等構(gòu)建模塊，支持輸入過壓／欠壓、過溫、過流、接地故障、RCD/CCID器件、短路、浪涌、緊急關(guān)機(jī)等輸入保護(hù)，以及過溫、過流、直流高壓（輸入/輸出）、電流隔離、電擊（直流隔離監(jiān)視器）等輸出保護(hù)，具有吉比特以太網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接口，支持OCPP 1.6J網(wǎng)絡(luò)通訊，以及ISO15118、IEC 61851-23, -24車載通信，以及CCS1/CCS2充電接口與電能計量功能。
這款一站式電動汽車充電解決方案，具有軟件／數(shù)字平臺開發(fā)，包括與云無關(guān)的方案（Azure、AWS、GCP）、高級充電功能實施、通知、推送警報、報告和儀表板，以及數(shù)據(jù)聚合和分析功能。在測試與認(rèn)證方面，將預(yù)先合規(guī)和認(rèn)證測試（CE、FCC、UL、RoHS、REACH等），支持進(jìn)行功能、EDVT、熱測試，以及IP67、沖擊、壓力清洗和紫外線輻射等機(jī)械功能，與質(zhì)量保證和測試自動化。
此外，這款電動汽車充電解決方案還可支持移動／網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)，這是基于多租戶的網(wǎng)絡(luò)平臺，可進(jìn)行跨平臺Android/iOS移動應(yīng)用程序開發(fā)。支持全棧設(shè)計、UI/UX、應(yīng)用程序分析與多語言支持。在固件開發(fā)方面則支持BSP開發(fā)／定制／測試，可用于Linux、RTOS、Android等操作系統(tǒng)，支持固件應(yīng)用、OTA、網(wǎng)絡(luò)安全，以及器件驅(qū)動程序、HAL、中間件、庫。
該解決方面還可提供設(shè)計到制造的制造即服務(wù)一站式解決方案，可協(xié)助制造／裝配設(shè)計、元器件／供應(yīng)鏈輔導(dǎo)，可提供超過15個以上的合同制造商。其硬件設(shè)計符合OCPP標(biāo)準(zhǔn)的電動汽車充電器設(shè)計，支持嵌入式、工業(yè)、機(jī)械設(shè)計，以及元器件／BoM、架構(gòu)、PCB原理圖、布局、信號完整性、電路板、原型設(shè)計、DFA/DFM等資源，并可提供產(chǎn)品生命周期管理、傳統(tǒng)資產(chǎn)的現(xiàn)代化、L1/L2/L3支持、24x7 NOC、SLA管理、開發(fā)運(yùn)營／云運(yùn)營等管理服務(wù)。
支持電池電壓1200V以上的高功率直流充電解決方案
由于電動汽車電池的電壓從400V提高到800V，因此為了減少銅線的質(zhì)量同時提高功率密度，功率器件的額定電壓也提高到1200V以上。為了支持這個需求，Infineon推出了CoolSiC? MOSFET 2kV 62 mm SiC MOS半橋模塊評估板―― EVAL-FFXMR20KM1HDR，這是一款柵極驅(qū)動器板，用于在半橋配置中采用Infineon最新的CoolSiC? MOSFET技術(shù)驅(qū)動62 mm模塊。它使用的1ED3890MC12M緊湊型柵極驅(qū)動器以及升壓級等器件，具有可靠性與快速的可控性，可提高驅(qū)動器的輸出功率。
這款半橋模塊評估板采用CoolSiC? Trench MOSFET技術(shù)的62 mm、2kV模塊的半橋驅(qū)動器，支持分離源極和灌極以優(yōu)化柵極驅(qū)動，采用1ED3890MC12M或1ED3890MU12M（X3數(shù)字）驅(qū)動器IC，帶有I2C總線，可用于參數(shù)調(diào)整，支持硬件欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)，適當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計可限制運(yùn)行期間PCB的發(fā)熱，具有可調(diào)斜率、穩(wěn)定時間和穩(wěn)定水平的兩級關(guān)斷（TLTO），負(fù)電壓調(diào)節(jié)范圍為-5 V至0 V，是一款即插即用、隨時可用的器件測試板解決方案，具有可進(jìn)行高開關(guān)頻率的正電壓調(diào)整，PCB設(shè)計可限制運(yùn)行期間PCB的發(fā)熱等好處，可應(yīng)用于電動汽車充電、光伏、不間斷電源（UPS）等領(lǐng)域。
這款評估板中采用的EiceDRIVER? 1ED38x0Mc12M增強(qiáng)型，是一款單通道5.7 kV（rms）隔離式柵極驅(qū)動器IC，具有I2C可配置性，適用于DESAT、軟關(guān)斷、UVLO、米勒鉗位和可選的兩級關(guān)斷。此柵極驅(qū)動器可支持650 V、1200 V、1700 V、2300 V IGBT、SiC和Si MOSFET。
這款柵極驅(qū)動器支持40 V絕對最大輸出電源電壓，以及±3 A、±6 A和±9 A典型灌電流和拉電流峰值輸出電流，具有獨(dú)立的源輸出和灌電流輸出，用于硬開關(guān)或可選的兩級關(guān)斷以及有源米勒鉗位，I2C總線可用于參數(shù)配置和狀態(tài)寄存器讀出，支持精確、可調(diào)節(jié)、溫度補(bǔ)償?shù)腣CEsat檢測（DESAT），具有故障輸出，與去飽和檢測后可調(diào)節(jié)IGBT軟關(guān)斷，可在高達(dá)125 ℃的高環(huán)境溫度下運(yùn)行，并在160 ℃（±10 ℃）時過溫關(guān)閉。
這款柵極驅(qū)動器可支持嚴(yán)格的IC到IC傳播延遲匹配（tPDD, max = 30 ns），輸入和輸出側(cè)具有遲滯欠壓鎖定保護(hù)，并具有主動關(guān)斷功能，集成ADC比較器可產(chǎn)生可配置反饋或故障關(guān)閉行為，高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）為200 kV/μs，采用節(jié)省空間的小型DSO-16細(xì)間距封裝，具有大爬電距離（大于8 mm），通過UL 1577、VDE 0884-11安全認(rèn)證，符合工業(yè)應(yīng)用要求。
完整的 30kW 電動車充電器功率模塊一站式解決方案
ST也推出了電動汽車充電器的30kW功率模塊解決方案，其中包括帶有數(shù)字控制的30 kW Vienna PFC整流器參考設(shè)計──STDES-30KWVRECT，這款參考設(shè)計可為基于三電平Vienna拓?fù)涞拇蠊β嗜嘤性辞岸耍ˋFE）整流器應(yīng)用，引入了完整的數(shù)字電源解決方案。
借助SCTWA90N65G2V-4和STPSC40H12C，該平臺的峰值效率超過98.5%。其采用STM32G474RE混合信號高性能微控制器進(jìn)行全數(shù)字控制，可對功率因數(shù)、直流電壓和軟啟動程序進(jìn)行全面控制。STDES-30KWVRECT實現(xiàn)了低總諧波失真（滿載時THD小于5%）和高功率因數(shù)（滿載時高于0.99），同時提供高帶寬連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）電流調(diào)節(jié)。
這款參考設(shè)計包含一個三相三電平AC-DC電源轉(zhuǎn)換器，支持800 V直流電壓額定電壓、400 V交流電壓額定電壓，具有最大功率30 kW，功率因數(shù)大于0.99，浪涌控制和軟啟動額定運(yùn)行時THD低于5%。
在基于SiC MOSFET和SiC二極管的功率部分，支持70 kHz高頻工作，具有大于98.5%的更高效率，并聯(lián)SiC MOSFET可提供更高功率和平衡共享電流，縮減無源器件的重量和尺寸。
在基于STM32G474RE微控制器的控制部分，包含SWD–UART、I2C和DAC等控制和監(jiān)控接口，還有64引腳的數(shù)字電源連接器，LED狀態(tài)可做為用戶接口，四個集成的高性能運(yùn)算放大器可提供更多功能。
此外，ST還推出采用STM32G4的30 kW SiC MOSFET DC-DC轉(zhuǎn)換器，可用于電動汽車充電器。這款帶數(shù)字控制的直流充電模塊30 kW三相LLC參考設(shè)計（STDES-30KWLLC）的額定輸出功率為30 kW，開關(guān)頻率為100-300 kHz，支持650 VDC – 850 VDC的直流輸入電壓與200 VDC – 1000 VDC直流輸出，峰值效率大于98%，內(nèi)置STM32G474這款高性能的32位MCU，采用PFM操作模式，輸入具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)，輸出支持過壓保護(hù)、過流保護(hù)功能。
這款轉(zhuǎn)換器是基于1200 V SiC器件和高開關(guān)頻率，可實現(xiàn)更高效率，采用更少的SiC MOSFET，可通過單個LLC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)更高的功率，并具有寬范圍、高輸出電壓。
ST另一款用于電動車充電站的30 kW三相Vienna整流器，具有三相345 VAC至460 VAC，頻率47 Hz至63 Hz輸入交流電壓，最大輸入電流為55 ARMS，直流輸出電壓為800 VDC，額定輸出功率30 kW，開關(guān)頻率70 kHz，峰值效率大于98.7%，滿載運(yùn)行時功率因數(shù)為0.99，THD低于5%，內(nèi)置STM32G474高性能32位MCU。這款30 kW三相Vienna整流器是基于SiC器件的解決方案，可實現(xiàn)更高的效率，具有極低的THD（總諧波失真）、更高的可靠性，設(shè)計復(fù)雜度低。
ST另一款帶數(shù)字控制暖機(jī)的60 kW三相并聯(lián)LLC則具有650 VDC – 850 VDC直流輸入電壓，200 VDC – 1000 VDC直流輸出，額定輸出功率為60 kW，峰值效率大于98%，內(nèi)置STM32G474高性能32位MCU，這是基于SiC器件的解決方案，可實現(xiàn)更高的效率，并聯(lián)LLC使用更少的SiC MOSFET來實現(xiàn)更高的功率，具有寬范圍、高輸出電壓。
ST基于STM32G4和SiC的解決方案，將有助于實現(xiàn)高性能電動汽車充電器，共包括可實現(xiàn)大功率電動汽車充電器的PFC與DCDC整體解決方案，并可為客戶提供先進(jìn)的完整元器件（SiC MOSFET、SiC二極管、STGAP、STM32），30 kW三相解決方案可在160 kHz 700 Vout半負(fù)載下實現(xiàn) 98% 峰值效率。
結(jié)語
直流快速充電在電動車應(yīng)用中的發(fā)展日趨快速，重要性也日漸提高，是現(xiàn)代電動車技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。直流快速充電系統(tǒng)能夠以更高的功率為電池充電，相比交流充電可更快地充滿電池，為電動車的普及和發(fā)展提供了重要支持，提升了電動車的用戶體驗和可用性。本文所介紹的多款解決方案，將能夠加快客戶設(shè)計直流快速充電產(chǎn)品的速度，請直接與艾睿電子聯(lián)系，以進(jìn)一步了解更多的技術(shù)細(xì)節(jié)。
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