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电动汽车快速充电:整体概述

由  Oriol Fillo 发布  - 06-14-2021 

电动车部署展望简要

电动车、电动动力总成和汽车功能电子化技术已存在多年。事实上,第一辆电动汽车(EV)在19世纪末问世。

然而,近年来,人们对这种替代燃料技术的兴趣重生,特别是在20世纪末。由于希望减少对气候的影响,该行业正转离内燃机(ICE)汽车。

基于内燃机的车辆以石油为燃料,这是一种日益稀缺的资源,严重污染环境,是气候变化的主要促成因素。

直到最近三到五年,我们才看到随着法规的出台、基础设施的部署以及更多的插电式混合动力车(PHEV)和电池电动车(BEV)车型,行业开始采取具体行动推广,电动车生态系统持续扩增,最终提高了电动车的普及率。

 图 1. 19 世纪末的电动车

近期这加速发展的最主要驱动力之一是对全球汽车制造商实施的排放监管政策。在欧洲,自去年(2020年)开始生效的更严格的措施可能对不遵守这些措施的汽车制造商的底线[1]产生严重影响。这些法规在未来几年将逐渐变得更加严格。难怪汽车制造商正在迅速行动,增加他们的BEV车型,实际预测到2025年将有300款车型上路[2][3]

在消费者端,政府在过去几年里一直在向新能源车车主提供不同性质的好处,以支持过渡到替代燃料车。从税收减免,到免费停车和充电服务,以及使用高乘载车辆(HOV)车道。

 

 图 2. 按不同生产日期推出的 BEV 市场

资料来源: McKinsey/IHS Automotive (2019年7月)

 

此外,如果我们看看最近和现在,新冠肺炎(COVID-19) 一直是并将继续是孵化幕后趋势的加速器,如机器人化、5G和联接,当然还有电动车......特别是,以新技术和创新为主的多年投资计划——无论是在公共还是私人领域。这些力量正在刺激电动车和PHEV的销售增长,特别是现在在欧洲。中国一直是采用、市场增长和产品的开拓者,但最近几个月,欧洲的销售量已赶上了中国,达到了140万辆的整体水平,同比增长137%。中国和美国的数字分别徘徊在134万辆和33万辆左右[4][5][6]

 图 3. 预计2020-2024 年新能源车的销量。报告于2020 年 COVID-19 影响之前发布

电动车快速充电基础设施。需求正在强劲增长

除了促进采用新能源车的直接激励和措施外,整个环境还有其他变化也在加强向电动汽车的过渡。过去一直有一些潜在的路障阻碍了向新车型的演变,最突出的是:续航里程焦虑、新能源车辆的价格(属于 "高端 "内燃机汽车类别的价格范围),最后,电池的充电时间与传统车辆给油箱加油的时间(一个简单、众所周知的概念和快速过程)相比。增加电池容量和车辆优化的千瓦时/公里比率,正在解决续航里程焦虑问题。近年来,BEV的价格正在稳步下降,并越来越接近更广泛的大众市场类别,同时,如前所述,提供的车型更多了。

剩下的最后一个障碍是充电时间,慢速充电(有效功率不超过22 kW)和快速充电系统(22-400 kW及以上目标)同时存在。特别是慢速充电系统已经在家庭、公共停车场和工作场所的停车场相对广泛使用(图4)。不同的是,快速充电系统主要在公共场所、商业区或充电站/桩使用,因为它们需要专用的电力基础设施,意味着大量的投资。在慢速充电的最高额定功率下,该系统可提供多100公里续航里程,约50-60分钟,但即使是这些也不能轻易部署在家庭。在较低的功率端,当使用专用电缆连接到标准插座时,家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小时(取决于地区和适用的法规,功率可能会更大),但需要约5小时(3.7 千瓦)来增加100公里续航里程。相比之下,快速充电系统可在10分钟内提供这续航里程。对于相当一部分驾驶员和使用情况来说,慢速充电可能是个可行的解决方案,但显然不适合所有人或每一种情况。

 

 

 

 图4. 2019年按国家划分的私人和公众可使用的充电桩

因此,有效和可持续地过渡到电动汽车将需要部署快速充电基础设施,以跟上道路上BEV的增长步伐。不仅在数量上,而且在额定功率方面。功率越高,充电时间越短,这是一个重要的因素,因为电池容量不断增加,其技术不断改进,允许更高的峰值功率(更快的充电速率)。难怪估计快速充电器的增长预测,从2020年到2027年,数量的年复合增长率为31.8%,同期市场规模的年复合增长率为39.8% [9 ]。图4描述了2019年全球慢速和快速充电器的分布。

交流或直流充电:模糊的界限

在电动汽车方面,用于充电的电缆和连接器通常被称为 "充电器"。交流(AC)插座与专用硬件设备(通常称为 "墙盒"),作为连接充电线和为车辆充电的接口,被称为 "充电器",这可能会引起混淆,因为如果 "充电器 "我们考虑的是发生电力转换的实际设备,那么上面讨论的元素就不是充电器。

交流充电和直流(direct current, DC)充电是简单的概念,但由于上述原因可能变得模糊不清。从本质上讲,两者的区别在于将电力转移到车辆的充电端口(而不是进入电池)的模式。在交流充电模式下,来自电网的交流电通过交流电插座或充电档口输送到汽车中。汽车将通过车载充电器(OBC)管理交流-直流电的转换--这里正确的名称是充电器,因为有电力转换--并向电池提供直流电压和电流。另一方面,在直流充电模式下,交流-直流转换由车外充电器进行--我们再次谈及充电器。图5说明电动汽车的不同充电方式。由于车外的空间、重量和热量限制更为宽松,所以直流充电的额定功率有很大的范围。因此,直流充电的范围甚至低于11 kW,最高可达400 kW。当然,这些范围内的使用情况可能非常不同。另一点值得注意的是,并不是所有的车辆都能接受高直流电力水平的充电。现在大多数已推出的车辆通常可以在直流模式下支持至少50 kW的速率。

 图5. 交流充电和直流充电概念图

资料来源。Yolé Development

 

交流充电通常被称为 "慢速充电",这是因为它的功率限制(最高端通常为22 kW)和最短的必要充电时间。交流电的高功率范围(11-22 kW)有时可能被称为 "高功率交流电充电 "或 "快速交流电充电",但没有实际定义。另一方面,那些额定功率为22 kW、甚至高达400 kW的直流充电器被认为是 "快速"。“超快 "一词也用于50 kW以上的功率,但没有实际明确的界限或定义。目前,最常见的直流电能范围在22-150 kW之间,功率在200-350 kW之间取得进展。快速和超快速的直流充电桩一般只在有三相电源连接到电网的专用区域公开提供。到目前为止,主要是在高速公路上的充电桩,可能会显示多个超快速充电器(每个>150 kW)。这种设施需要一个来自电网的专用高压变压器。

充电率和时间

为了了解如今的充电时间,一个简单的计算可以让我们走得更远。考虑到一辆电池容量为60千瓦时的汽车(BEV现在释放的电池容量在30至120千瓦时之间)[10] 和一个100 kW的直流充电器,可以得出以下结果:

充电时间=电池容量(有效)*1[千瓦时]/平均充电功率[kW] 充满电池的范围=电池容量(有效)*1[千瓦时]/效率[千瓦时/100公里]60千瓦时/100 kW=36分钟

60千瓦时/18千瓦时/100公里*2=~333公里

*1 在这个练算中,考虑的是完整的电池容量。可能有一些电动车会对全部 "有效 "容量构成限制。

*2 通用值,将取决于每辆车的特性。通常情况下,将在12-23 千瓦时/100公里之间。

必须考虑到,并非所有道路上的车辆都能支持高达100 kW的直流充电率,目前发布的车型之间的实际差异通常在50 kW以下和250 kW以上[11]。同样,车辆的效率也存在明显的差异,以千瓦时/100公里的比率衡量。有可用的数据库[12]提供多种BEV的详细信息。此外,充电过程中的平均功率不等于汽车接受的峰值功率,因为随着电池充电状态(SOC)的提高,额定功率需要有上限。

在任何情况下,上述例子是有启发性的,并提供了一个与基于内燃机的车辆进行比较的标准。以100千瓦时的平均速度给我们的电动车充电,需要36分钟才能提供333公里的里程,或者大约10分钟才能提供100公里。对于传统的内燃机汽车来说,同样的运作需要三到五分钟才能完成充电。有了这些数字,难怪市场正在迅速发展并推动更高的功率解决方案[在电动汽车供应设备(EVSE)方面和车辆方面] 。允许超过350 kW功率。

直流充电的标准和协议

为了规范和标准化交流和直流充电技术,促进支持电动汽车的兼容EVSE生态系统的发展,已经制定了一些标准和IEC规范。这些设定的框架,尽可能的全球化,帮助协会和行业发展协议和EVSE。然而,这远远不是个微不足道的话题,因为来自不同机构的几个标准和实施方案在全球范围内并存。

采用自上而下的方法,讲出一些基本的标准(以及发布机构的总部所在地),如下:

  • IEC-68151(瑞士)
  • IEC-62196 (瑞士)
  • IEC61980 (瑞士)
  • ISO1740 9:2020 (瑞士)
  • SAEJ1772 (美国)
  • GB/T18487 (中国)
  • GB/T20234 (中国)
  • GB/T27930 (中国)

如果我们研究借鉴这些标准的实际充电协议和生态系统,我们会发现三个全球扩展的直流充电实施方案:CHAdeMO("charge de move”移动充电的缩写)、联合充电系统(CCS)和特斯拉超级充电桩。在中国,唯一的标准和实施的协议是GB/T,并且也是该地区独有的。下一节将讨论这些协议和标准的一些特点。

直流充电的一些重要标准是什么?

IEC 61851。国际电工委员会(IEC)已经制定了上一节中所列的几个标准。IEC61851指的是 "电动汽车导电充电系统",是IEC系列中电动汽车充电的核心部分,专注电动汽车导电充电系统的不同主题,包括分别达到1000 V和1500 V的交流和直流充电[13]。该标准定义了四种不同的充电 "模式",其中前三种 "模式"(1至3)指的是交流充电,"模式 "4谈及直流充电。IEC62196定义了 "插头、电源插座、车辆连接器和车辆进气口",IEC61980涉及 "电动汽车无线电力传输(WPT)系统"。ISO17409:2020是国际标准化组织(ISO)关于电动汽车充电的基础标准,是对上述IEC61851的专门补充。该文件涉及IEC61851-1中定义的充电 "模式 "2、3、4的 "电力驱动的道路车辆--导电电力传输--安全要求"。

图6. 阐释IEC-61851中定义的充电 "模式 "

模式4定义了直流充电。资料来源。菲尼克斯电气。SAEJ1772

 

在北美,管理标准是SAEJ1772(涵盖交流和直流充电)。该文件规定了在1000 V电压下提供高达400 kW的直流充电。与IEC-61851中的充电 "模式 "不同,SAEJ1772规定了充电 "等级 "并定义了以下内容。“交流1级"、"交流2级"、"直流1级 "和 "直流2级"(2017修订版)。在此需要指出的是,'三级'充电仍然是一个未定义的术语,被广泛(和误导)用来指直流充电。已经有 "交流3级 "的实际项目(尽管从未完全开发)和 "直流3级 "已被讨论。在任何情况下,这些都是不同的概念,不能作为直流充电的同义词使用。此外,不同地区和机构的标准可以交织在一起。SAEJ1772首先定义了用于交流充电的 "SAEJ1772 "连接器类型(命名为 "SAEJ1772连接器"),主要用于北美地区。后来,IEC-62196采用了相同的连接器,并将其确定为IEC-62196 Type 1,与在欧洲用于交流充电的IEC-62196 Type 2连接器形成对比。由于IEC连接器(Type 1和Type 2)使用相同的SAEJ1772信号协议,汽车制造商在销售汽车时,要么使用SAEJ1772-2009进气口,要么使用IEC Type 2进气口,具体取决于市场。

直流充电协议

正如上一节所介绍的,有三种主要的充电协议在全球范围内扩展。

CHAdeMO - 该协会于2010年在日本成立,并制定了与之同名的电动车充电协议。该协议和组织由日本的主要汽车制造商和其他行业利益相关者支持和推动。日产、三菱、丰田、日立、本田和松下等等,其中也包括一些欧洲的参与者。这些协议借鉴了所讨论的IEC6185-1、-23、-24IEC62196标准,定义并使用专用连接器(图7)。这些协议的范围从CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2(2017)和CHAdeMO2.0(2018)分别支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO现在的目标是900 kW的充电器,与中国电力企业联合会(CEC)联合开发一个被称为 "ChaoJi "的超高功率充电标准[14]。这项合作还致力于成为第一个全球超快速充电器协议[[15]]。2020年5月,CHAdeMO报告实现了全球安装32,000个快速充电器的目标[[16]],其中14,400个在欧洲。

图7. 快速直流充电器的连接器类型。特斯拉在北美和其他地区使用一种专有的连接器。在欧洲和其他部署CCS和CHAdeMO网络的地区,特斯拉正在顺应这些系统。来源:Enel X

 

联合充电系统(Combined Charging System, 简称CCS

另一个快速直流充电协议和系统最初由欧洲和美国的汽车制造商、EVSE基础设施制造商和其他行业相关参与者开发和认可。亚洲制造商也加入了该组织。这些机构大多正式组织为CharIN协会,负责协议的开发和推广。CCS系统与适用的IEC、SAE和ISO标准一致,支持交流充电(单相和三相)和直流充电,提供超过200  kW的直流充电能力,350 kW正在准备中[17]。在撰写本博客时,CharIN网桩列出了已部署的超过33,800个直流充电点的总体数量,分布在以下功率范围。6%低于50 kW,58% 50 kW,29% 150 kW和7% 250 kW。CSS规定了两种用于直流充电的连接器,Combo 1和Combo(图8),它们在原来的交流充电对应物(Type 1和Type 2)的基础上,增加了一个用于直流电流的双引脚插座。在这种方式下,车辆上的独特插座类型(每个地区)可以同时进行直流充电和交流充电。大多数CharIN的欧洲成员以IONITY的名义联合起来,努力开发和部署一个全欧洲的快速充电桩网络。

图8. 带有交流、直流(CHAdeMO)和直流(CCS)连接器的充电桩

快速直流充电用例和配置

在前面的章节中,我们已讨论并了解了快速直流充电:

  • 它是什么,它不是什么
  • 功率和电压水平以及充电时间
  • 现有的标准和协议

在本节中,讨论将使我们更深入地了解这项技术,并揭示:a)实际部署直流充电器的配置;b)介绍 "引擎盖 "下的关键功率电子,这已成为电动汽车的基石。不出所料,快速直流电动车充电是继电动车本身之后功率电子领域创新的推进器之一,也是碳化硅(SiC)等新型电源技术采用最迅速的市场之一。

直流充电桩的基础设施配置

直流EVSE部署的第一个也是最常见的使用案例包括一个端到端的系统,从电网到电动车的电池(图9)。目前,这使用案例在充电桩和独立的单体充电点中都可以找到,其中充电桩显示了几个这样的转换器。带有多个快速或超快速充电器的充电桩需要一个高达1 MW(及以上)的高压电网隔离变压器,以便可靠地、不间断地输送电力。

在内部,这些充电器由前端的AC-DC三相有源整流级组成,执行功率因素校正(PFC)并提升直流链路电压水平。随后,一个隔离的DC-DC转换级使输出电压和电流适应电动车中电池的需要。

图9显示了该系统模块。为了最大限度地提高能效和规模,对高电压系统的需求越来越大。这既适用于中间母线电压(在PFC和DC-DC转换器之间),也适用于输出电压,因为800 V及以上的电动车电池正在变得普遍。

如此高功率和高电压的应用获得了SiC模块技术的好处,它表现出更高的击穿电压,更低的RDSON和动态损耗,以及卓越的热性能。损耗的减少、提高开关频率的可能性和增强的热耗散使系统尺寸的缩小成为可能,无源元件的缩小和冷却要求的降低。这一系列独特的性能使SiC模块技术成为高效、功率密集和紧凑的快速直流充电解决方案的关键赋能者,可以方便地部署和大量扩展。在这种情况下,快速直流充电器的内部模块化也值得注意,因为大多数系统的特点是每个15-75 kW的堆叠子单元(图9),这使得系统更加灵活和坚固,简化了生产。

图9. 快速直流电动车充电器的结构图(左)。具有多个功率级堆叠的高功率直流电动车充电器(右)

第二种EVSE部署配置,随着电动汽车进一步渗透到市场并抢占交通的重要部分,将获得相关性,包括储能系统(ESS)的整合。这个用例也可能涉及可再生分布式能源资源(DER)的整合,主要是太阳能。这种类型的基础设施将是维持电动车环境的一个关键支柱,充电桩将成为消费的焦点,并需要高的峰值功率。例如,5个额定功率为100 kW的充电桩将产生半兆瓦的峰值功率。仅仅依靠电网来维持多个充电桩的这种峰值功率实际上是不可能的,而这些充电桩将在全国范围内蓬勃发展。为了能够在一天中可靠地提供能源,能源将来自电网,并在谷底时间转移到高压ESS。此外,太阳能将支持储存的能量池,以帮助维持能量水平[20]

图10. 储能和太阳能与电动汽车充电桩整合的可能框图

这种配置将引起对不同结构的直流充电器的需求,其中整流PFC级和DC-DC级是独立的单元。图10显示了这种装置的一个例子。在前端,三相PFC升压级(AC-DC)将电力从电网输送到DC BUS。在后端,该SC-DC双向转换器提供的由太阳能光伏发电产生的能量被送入电动车充电器(DC-DC转换器)或保存在ESS中。绑定在车辆上的降压型DC-DC转换器将使其输出电压适应电池兼容的电压水平400 V-1000 V。

什么是快速直流充电器中使用的常见拓扑结构和功率器件?

在上一节中,已经介绍了快速DCEV充电基础设施的标准配置,以及未来可能的典型基础设施。下面介绍当今快速DCEV充电器中使用的典型电源转换器拓扑结构和AC-DC和DC-DC的功率器件的概况。

有源整流三相PFC升压拓扑结构

前端三相PFC升压级可以用多种拓扑结构实现,而且几种拓扑结构可以满足相同的电力要求。在 "解密三相PFC拓扑结构 "中详细介绍和讨论了每种拓扑结构的利弊和操作。图11展示了快速直流电动车充电应用中常见的PFC架构。它们之间的一个首要区别是双向性。T-中性点钳制(T-NPC)和I-NPC拓扑结构通过用开关取代一些二极管而适合双向操作。6个开关的结构是一个双向的perse。

图11. 用于快速直流电动车充电的典型三相功率因素校正(PFC)升压拓扑结构。

T-NPC(左上)、6开关(右上)和I-NPC(底部)

 

另一个影响设计和功率器件额定电压的重要因素是架构中的级数。6个开关的拓扑结构是一个2级架构,通常用900 V或1200 V的开关来实现快速直流电动车充电器。这里SiC MOSFET-模块具有低RDS on(6-40 mQ)区域的首选解决方案,特别是对于每块15 kW以上的高功率范围。这种集成表现出比分立解决方案更优越的功率性能,提高了能效,简化了设计,减小了整个系统的尺寸,并最大化可靠性。T-中性点箝位(T-NPC)是一种3级拓扑结构,使用1200 V整流器(以双向形式用开关代替),中性点路径上有650 V开关背对背。I-NPC是一个3级架构,可能完全用650  V开关实现。650  V SiC MOSFET或IGBT与共包二极管代表了这些3级拓扑结构的优秀替代方案。

图12. F1-2 PACK SiC MOSFET模块半桥。1200 V,10 mQ

DC-DC拓扑结构

在研究DC-DC转换级时,主要采用了三种隔离拓扑结构:全桥LLC谐振转换器、全桥移相双有源桥(DAB)零电压过渡(ZVT)转换器和全桥移相ZVT转换器(图13、14和15)。

全桥LLC谐振

LLC转换器在初级端实现了零电压开关(ZVS),同时--在谐振频率及以下--在次级端实现了零电流开关(ZCS),从而在谐振频率附近产生了非常高的峰值效率。作为一个纯粹的频率调制(FM)系统,当系统工作点偏离谐振频率时,这可能是需要宽输出电压操作时的情况,LLC的能效就会下降。然而,先进的混合调制方案使今天的脉冲调制(PWM)与调频相结合,限制了最大频率失控和高损耗。不过,这些混合实现方式还是给已经有时很麻烦的LLC控制算法增加了复杂性。此外,并联的LLCs转换器的电流共享和同步也不是件容易的事。一般来说,当有可能在相对较小的电压范围内工作时,和/或当具备实施结合调频和PWM的先进控制策略的开发技能时,LLC是一种难以超越的设计。它不仅可以提供最高的能效,而且从各个角度看都是一个非常全面的解决方案。LLC可以作为CLLC以双向形式实现,这是另一种复杂的拓扑结构。

图13. 全桥LLC转换器

带有次级同步整流拓扑结构的移相全桥DAB也非常典型。这些都是用PWM工作,一般来说,需要比LLC转换器更简单的控制。DAB可以被认为是传统的全桥移相ZVT转换器的演变,但漏电感器在初级端,这简化了繁琐的次级端整流,减少了二次开关或二极管的必要额定击穿电压。由于实现了ZVT,这些转换器可以在很宽的输出电压范围内提供稳定的高能效。这对于支持800 V和400 V电池电压水平的充电器来说是个方便的因素。DAB的PWM工作带来了好处。首先,它倾向于使转换器的电磁干扰(EMI)频谱比调频系统中的更紧密。此外,用固定的开关频率,系统在低负载时的行为更容易解决。通过同步整流,DAB是一种双向的原生拓扑结构,是快速电动汽车充电器的最通用的替代方案和合适的解决方案之一。

 

 

图14.全桥移相式DAB ZVT转换器

对于单向操作,传统的全桥移相ZVT(图15)仍然是一个可用的选择,但渗透率越来越低。这种拓扑结构的工作与DAB类似,但位于次级端的电感器在整流中带来一个显著的差异。电感器在二极管上设置了高的反向电压,这将与占空比成正比和反比,因此,根据工作条件,二极管上的反向电压可能超过输出电压的两到三倍。这种情况在高输出电压的系统中(如电动车充电器)可能具有挑战性,通常多个次级绕组(具有较低的输出电压)被串联起来。这样的配置并不那么方便,特别是如果考虑到功率和电压的额定值,不同的拓扑结构含单一输出将提供相同或更好的性能。

SiC-模块代表了上述DC-DC电源转换级中全桥的一个非常合适和常见的解决方案,起价为15 kW。更高的频率有助于缩小变压器和电感器的尺寸,从而缩小整个解决方案的外形尺寸。 

 

图15. 全桥移相ZVT转换器

拓扑结构的变体

所讨论的拓扑结构存在多种变体,带来额外的优势和折冲。图16显示了用于快速电动车充电的全桥LLC转换器的一个常见替代方案。在移相中,开关在输入电压的一半以下,并使用600 V和650 V的断电电压器件。650 V SiC MOSFET650 V SuperFET 3快速恢复(FR)MOSFET650 V FS4 IGBT将有助于解决不同的系统要求。同样,用于出极端的二极管和整流器需要650 V的阻断电压等级。这些3级架构允许单极开关,这有助于减少峰值电流和电流纹波,这将导致用更小的变压器。这种拓扑结构的主要缺点之一是,与具有较少电源开关的2级版本相比,控制算法需要额外的复杂程度。双有源桥以及双有源桥可以很容易地在初级端和次级端并联或堆叠,以最配合快速电动汽车充电器的电流和电压需求。

图16. 3级全桥LLC

这种变体在初级端堆叠(只有一半的输入电压应用于每个变压器),在次级端并联

 

次级端整流

关于次级端整流,如图15所示,可以有多种解决方案,而且都可以使用不同的拓扑结构。对于400 V和800 V的电池水平和全桥整流,650 V和1200 V的SiC肖特基二极管通常是独特的性价比解决方案。由于其零反向恢复特性,与硅基替代品相比,这些器件大大增强了整流性能和能效,大大降低了损耗和整流级的复杂性。硅基二极管,如Hyperfast、UltraFast和Stealth,可以作为成本非常有限的项目的替代品,但要牺牲性能和复杂性。采用中心抽头整流的解决方案(图15)对于高电压输出整流级来说并不方便。与全桥整流不同的是,在全桥整流中,二极管的标准反向电压等于输出电压,而在中心抽头配置中,二极管要承受这个数值的两倍。常规的全桥移相转换器(电感在次级端),正如所解释的那样,在两种整流方法(全桥或中心抽头整流)中都需要更高的击穿电压二极管。为了克服常规全桥移相转换器对1200 V或1700 V额定二极管的需求,几个输出将被串联起来。

 

 

其他重要的设计考虑因素

除了电源转换器中的拓扑结构和开关器件外,在开发快速电动车充电器时,还有其他重要领域需要考虑,尤其是在使用SiC开关在高频率下工作时。

门极驱动系统:

在所有的拓扑结构中,驱动系统仍然是快速直流电动车充电器的一个重要方面,对系统性能有直接影响。

隔离:

在隔离的主题下,首先要考虑的问题之一。鉴于快速直流电动车充电器所讨论的高功率和高电压,电隔离对于高端驱动器是必须的。对于低端同类产品,尽管从安全角度看并非总是严格必要的,但常见的做法是使用与高端相同的门极驱动系统和电路。这种方法带来了多种好处,包括解决方案的实施和系统的稳健性。一方面,它有利于同一半桥上的开关器件之间的延迟匹配。这简化了PWM序列和死区时间的控制和实施,以防止击穿事件。此外,隔离驱动器通过最大限度地提高其共模瞬态抗扰度(CMTI)来增强系统的坚固性,这在使用快速开关宽禁带技术在高dV/dt驱动时特别重要,如SiC。这里还需要指出的是,采用开尔文连接的电源开关需要一个浮动或电隔离的驱动器(在高端和低端)来获得配置的好处,因为它将大大减少损耗和提高传播时间。

 

片上保护和功能:

门极驱动器的另一个关键考虑因素是片上集成功能(除电隔离外)和保护。根据系统的要求和开关的类型,可能需要过电流保护("DESAT")--IGBTSiC MOSFET的典型保护--米勒钳制(避免错误开启)。包括这些或其他必要的封装功能可以实现紧凑的系统,并最大限度地减少布局中的寄生电感,这是使用SiC的高开关频率系统的基本要求。在数字控制的系统中,内置保护也非常方便,可以提供板载保护。在系统能效方面,门极驱动器的接受端和源端能力对于通过快速充电和放电寄生门极电容实现快速开关转换至关重要。在使用SiC技术时,这在高功率应用中特别重要,因为这比基于Si的IGBTSJ MOSFET实现更快的转换。

电隔离门极驱动器系列具有3.5 kV和5 kV额定值的NCD57XXX和NCD51XXX为开发快速电动车充电器带来设计灵活性和系统可靠性,在片上集成了多种功能和保护措施,并显示出高达9 A的驱动电流能力。该产品组合包括单通道驱动器,如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7,以及双通道驱动器,如NCP51561NCP51563NCD57252/256,以满足所有使用情况。

图17. 电隔离的单通道和双通道门驱动器框图

驱动器电源:

与门极驱动器相邻的一个话题是驱动它们所需的隔离电源。SiC开关的最佳性能是通过+20 V – 5 V的偏置电压实现的,而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的细节可以在"Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驱动建议"。同样,对于门极驱动器来说,电源需要紧凑和坚固,确保在所有工作条件下有稳定的电压轨。围绕NCV3064开关稳压器的电源,如LVDCDC3064-IGBTLVDCDC3064-SIC有助于满足这些需求。

保护措施:

快速直流电动车充电的另一个重要考虑因素是系统中必要的安全保护,尤其是法规所规定的安全保护。强制性保护是针对车外的接地故障电流(GFC),以防止对人体产生危险的电击风险。特别是,充电电路中断装置(CCID)是专门为EV充电而开发的,IEC61851-1(前面讨论过)和UL 2231-1/2标准分别对其在欧洲/亚洲和北美的实施进行了规范。FAN4147NCS37014 GFC中断器满足这些法规的要求,为开发符合安全要求的EVSE提供了现成的解决方案。

辅助电源:

辅助电源单元(PSU)在电力系统中无处不在,快速直流电动车充电也不例外。隔离反激拓扑结构是方便和可靠的选择,可以提供低压系统所需的典型的10-40 W。特别是,对于快速直流电动车充电,直流母线的电压水平是影响整个系统的主要因素之一。现在的趋势是提高这些水平,以减少特定功率水平的峰值电流并提高能效。如今,直流母线电压水平高达800 V(甚至更高)是很常见的,并不是所有的传统方案都适合电动汽车充电。在这里,围绕NCP1362准谐振谷初级端开关或NCP1252NCP12700次级端控制器开发的PSU可以帮助解决这些需求。在开关方面,具有高RDS on(160 mOhms)的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用,因为它们带来了出色的性价比,是900 V DC系统的最佳方案。

归结一切

在本博客的第一章节,我们已经看到了电动车市场的增长是如何加速的,以及为什么随着更多的电动车上路,快速直流充电需要(也将)保持吸引力。在过去的大多月份里,指向这一方向的新闻如雨后春笋般涌现,其中一个是美国总统宣布的到2030年建立50万个直流充电桩网络的计划[21]。其最终目标是推动电动车成为主流,摆脱以内燃机为基础的交通工具,并应对气候变化。快速和超快速的直流充电桩是电动汽车的一个关键支柱,也是完成生态系统的一个不可或缺的元素,在家庭中可以使用较低功率的交流充电替代品,因为可以在较长时间内充电。作为一个新生的、快速发展的市场,快速直流电动车充电器的要求和使用案例在不断升级,留下了一个需要各种解决方案和不同优化的空间。不过,所有这些的共同点将是越来越高的功率、电压水平和能效。此外,随着此类基础设施的大规模推出,竞争格局变得更加严酷,安装的投资回报率也将需最大化,预计对尺寸、重量、成本和可靠性的限制也会加强。现在,SiC功率技术正在成熟,其价格正在达到有吸引力的水平,这为先进的SiC功率集成模块技术的发展留下了空间。更高的能效和优越的热性能,使充电系统更轻、更小、成本更优化,可提供高达400 kW的功率。除了SiC技术和功率模块的内在优势,充电器的可靠性仍然是有效和广泛部署电动车的基石。安森美半导体不仅是SiC技术和功率集成模块的一个领先供应商,而且在质量上与众不同。作为极少数拥有SiC完整供应链的供应商之一,安森美半导体确保我们的SiC分立模块产品的最高质量和可靠性标准,以及卓越的运营和灵活性。

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标签:EV charging , Industrial, MOSFET, Silicon Carbide (SiC)
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