電動(dòng)車(chē)部署展望簡(jiǎn)要

 

電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)動(dòng)力總成和汽車(chē)功能電子化技術(shù)已存在多年。事實(shí)上，第一輛電動(dòng)汽車(chē)（EV）在19世紀末問(wèn)世。

 

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

 

基于內燃機的車(chē)輛以石油為燃料，這是一種日益稀缺的資源，嚴重污染環(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(zhù)法規的出臺、基礎設施的部署以及更多的插電式混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）和電池電動(dòng)車(chē)（BEV）車(chē)型，行業(yè)開(kāi)始采取具體行動(dòng)推廣，電動(dòng)車(chē)生態(tài)系統持續擴增，最終提高了電動(dòng)車(chē)的普及率。

 

圖 1. 19 世紀末的電動(dòng)車(chē)

 

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

 

在消費者端，政府在過(guò)去幾年里一直在向新能源車(chē)車(chē)主提供不同性質(zhì)的好處，以支持過(guò)渡到替代燃料車(chē)。從稅收減免，到免費停車(chē)和充電服務(wù)，以及使用高乘載車(chē)輛（HOV）車(chē)道。

 

圖 2. 按不同生產(chǎn)日期推出的 BEV 市場(chǎng)

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

 

此外，如果我們看看最近和現在，新冠肺炎(COVID-19) 一直是并將繼續是孵化幕后趨勢的加速器，如機器人化、5G和聯(lián)接，當然還有電動(dòng)車(chē)......特別是，以新技術(shù)和創(chuàng )新為主的多年投資計劃——無(wú)論是在公共還是私人領(lǐng)域。這些力量正在刺激電動(dòng)車(chē)和PHEV的銷(xiāo)售增長(cháng)，特別是現在在歐洲。中國一直是采用、市場(chǎng)增長(cháng)和產(chǎn)品的開(kāi)拓者，但最近幾個(gè)月，歐洲的銷(xiāo)售量已趕上了中國，達到了140萬(wàn)輛的整體水平，同比增長(cháng)137%。中國和美國的數字分別徘徊在134萬(wàn)輛和33萬(wàn)輛左右[4][5][6]。

 

圖 3. 預計2020-2024 年新能源車(chē)的銷(xiāo)量。報告于2020 年 COVID-19 影響之前發(fā)布

 

電動(dòng)車(chē)快速充電基礎設施。需求正在強勁增長(cháng)

 

除了促進(jìn)采用新能源車(chē)的直接激勵和措施外，整個(gè)環(huán)境還有其他變化也在加強向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡。過(guò)去一直有一些潛在的路障阻礙了向新車(chē)型的演變，最突出的是：續航里程焦慮、新能源車(chē)輛的價(jià)格（屬于 "高端 "內燃機汽車(chē)類(lèi)別的價(jià)格范圍），最后，電池的充電時(shí)間與傳統車(chē)輛給油箱加油的時(shí)間（一個(gè)簡(jiǎn)單、眾所周知的概念和快速過(guò)程）相比。增加電池容量和車(chē)輛優(yōu)化的千瓦時(shí)/公里比率，正在解決續航里程焦慮問(wèn)題。近年來(lái)，BEV的價(jià)格正在穩步下降，并越來(lái)越接近更廣泛的大眾市場(chǎng)類(lèi)別，同時(shí)，如前所述，提供的車(chē)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(guò)22 kW）和快速充電系統（22-400 kW及以上目標）同時(shí)存在。特別是慢速充電系統已經(jīng)在家庭、公共停車(chē)場(chǎng)和工作場(chǎng)所的停車(chē)場(chǎng)相對廣泛使用（圖4）。不同的是，快速充電系統主要在公共場(chǎng)所、商業(yè)區或充電站/樁使用，因為它們需要專(zhuān)用的電力基礎設施，意味著(zhù)大量的投資。在慢速充電的最高額定功率下，該系統可提供多100公里續航里程，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，當使用專(zhuān)用電纜連接到標準插座時(shí)，家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小時(shí)（取決于地區和適用的法規，功率可能會(huì )更大），但需要約5小時(shí)（3.7 千瓦）來(lái)增加100公里續航里程。相比之下，快速充電系統可在10分鐘內提供這續航里程。對于相當一部分駕駛員和使用情況來(lái)說(shuō)，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，有效和可持續地過(guò)渡到電動(dòng)汽車(chē)將需要部署快速充電基礎設施，以跟上道路上BEV的增長(cháng)步伐。不僅在數量上，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，因為電池容量不斷增加，其技術(shù)不斷改進(jìn)，允許更高的峰值功率（更快的充電速率）。難怪估計快速充電器的增長(cháng)預測，從2020年到2027年，數量的年復合增長(cháng)率為31.8%，同期市場(chǎng)規模的年復合增長(cháng)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(dòng)汽車(chē)方面，用于充電的電纜和連接器通常被稱(chēng)為 "充電器"。交流（AC）插座與專(zhuān)用硬件設備（通常稱(chēng)為 "墻盒"），作為連接充電線(xiàn)和為車(chē)輛充電的接口，被稱(chēng)為 "充電器"，這可能會(huì )引起混淆，因為如果 "充電器 "我們考慮的是發(fā)生電力轉換的實(shí)際設備，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(jiǎn)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，兩者的區別在于將電力轉移到車(chē)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(lái)自電網(wǎng)的交流電通過(guò)交流電插座或充電檔口輸送到汽車(chē)中。汽車(chē)將通過(guò)車(chē)載充電器（OBC）管理交流-直流電的轉換--這里正確的名稱(chēng)是充電器，因為有電力轉換--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-直流轉換由車(chē)外充電器進(jìn)行--我們再次談及充電器。圖5說(shuō)明電動(dòng)汽車(chē)的不同充電方式。由于車(chē)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400 kW。當然，這些范圍內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(chē)輛都能接受高直流電力水平的充電?，F在大多數已推出的車(chē)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(lái)源。Yolé Development

 

交流充電通常被稱(chēng)為 "慢速充電"，這是因為它的功率限制（最高端通常為22 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(chēng)為 "高功率交流電充電 "或 "快速交流電充電"，但沒(méi)有實(shí)際定義。另一方面，那些額定功率為22 kW、甚至高達400 kW的直流充電器被認為是 "快速"。“超快 "一詞也用于50 kW以上的功率，但沒(méi)有實(shí)際明確的界限或定義。目前，最常見(jiàn)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(zhuān)用區域公開(kāi)提供。到目前為止，主要是在高速公路上的充電樁，可能會(huì )顯示多個(gè)超快速充電器（每個(gè)>150 kW）。這種設施需要一個(gè)來(lái)自電網(wǎng)的專(zhuān)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(jiǎn)單的計算可以讓我們走得更遠?？紤]到一輛電池容量為60千瓦時(shí)的汽車(chē)（BEV現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(mǎn)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?？赡苡幸恍╇妱?dòng)車(chē)會(huì )對全部 "有效 "容量構成限制。

 

*2 通用值，將取決于每輛車(chē)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(chē)輛都能支持高達100 kW的直流充電率，目前發(fā)布的車(chē)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(chē)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。有可用的數據庫[12]提供多種BEV的詳細信息。此外，充電過(guò)程中的平均功率不等于汽車(chē)接受的峰值功率，因為隨著(zhù)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)與基于內燃機的車(chē)輛進(jìn)行比較的標準。以100千瓦時(shí)的平均速度給我們的電動(dòng)車(chē)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。對于傳統的內燃機汽車(chē)來(lái)說(shuō)，同樣的運作需要三到五分鐘才能完成充電。有了這些數字，難怪市場(chǎng)正在迅速發(fā)展并推動(dòng)更高的功率解決方案[在電動(dòng)汽車(chē)供應設備（EVSE）方面和車(chē)輛方面] 。允許超過(guò)350 kW功率。

 

直流充電的標準和協(xié)議

 

為了規范和標準化交流和直流充電技術(shù)，促進(jìn)支持電動(dòng)汽車(chē)的兼容EVSE生態(tài)系統的發(fā)展，已經(jīng)制定了一些標準和IEC規范。這些設定的框架，盡可能的全球化，幫助協(xié)會(huì )和行業(yè)發(fā)展協(xié)議和EVSE。然而，這遠遠不是個(gè)微不足道的話(huà)題，因為來(lái)自不同機構的幾個(gè)標準和實(shí)施方案在全球范圍內并存。

 

采用自上而下的方法，講出一些基本的標準（以及發(fā)布機構的總部所在地），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準的實(shí)際充電協(xié)議和生態(tài)系統，我們會(huì )發(fā)現三個(gè)全球擴展的直流充電實(shí)施方案：CHAdeMO（"charge de move”移動(dòng)充電的縮寫(xiě)）、聯(lián)合充電系統（CCS）和特斯拉超級充電樁。在中國，唯一的標準和實(shí)施的協(xié)議是GB/T，并且也是該地區獨有的。下一節將討論這些協(xié)議和標準的一些特點(diǎn)。

 

直流充電的一些重要標準是什么？

 

IEC 61851。國際電工委員會(huì )（IEC）已經(jīng)制定了上一節中所列的幾個(gè)標準。IEC61851指的是 "電動(dòng)汽車(chē)導電充電系統"，是IEC系列中電動(dòng)汽車(chē)充電的核心部分，專(zhuān)注電動(dòng)汽車(chē)導電充電系統的不同主題，包括分別達到1000 V和1500 V的交流和直流充電[13]。該標準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(chē)輛連接器和車(chē)輛進(jìn)氣口"，IEC61980涉及 "電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電力傳輸（WPT）系統"。ISO17409:2020是國際標準化組織（ISO）關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎標準，是對上述IEC61851的專(zhuān)門(mén)補充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電 "模式 "2、3、4的 "電力驅動(dòng)的道路車(chē)輛--導電電力傳輸--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(lái)源。菲尼克斯電氣。SAEJ1772

 

在北美，管理標準是SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。該文件規定了在1000 V電壓下提供高達400 kW的直流充電。與IEC-61851中的充電 "模式 "不同，SAEJ1772規定了充電 "等級 "并定義了以下內容。“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(yǔ)，被廣泛（和誤導）用來(lái)指直流充電。已經(jīng)有 "交流3級 "的實(shí)際項目（盡管從未完全開(kāi)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，不同地區和機構的標準可以交織在一起。SAEJ1772首先定義了用于交流充電的 "SAEJ1772 "連接器類(lèi)型（命名為 "SAEJ1772連接器"），主要用于北美地區。后來(lái)，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(chē)制造商在銷(xiāo)售汽車(chē)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(chǎng)。

 

直流充電協(xié)議

 

正如上一節所介紹的，有三種主要的充電協(xié)議在全球范圍內擴展。

 

CHAdeMO - 該協(xié)會(huì )于2010年在日本成立，并制定了與之同名的電動(dòng)車(chē)充電協(xié)議。該協(xié)議和組織由日本的主要汽車(chē)制造商和其他行業(yè)利益相關(guān)者支持和推動(dòng)。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標準，定義并使用專(zhuān)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現在的目標是900 kW的充電器，與中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )（CEC）聯(lián)合開(kāi)發(fā)一個(gè)被稱(chēng)為 "ChaoJi "的超高功率充電標準[14]。這項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報告實(shí)現了全球安裝32,000個(gè)快速充電器的目標[[16]]，其中14,400個(gè)在歐洲。

 

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

 

聯(lián)合充電系統（Combined Charging System, 簡(jiǎn)稱(chēng)CCS）

 

另一個(gè)快速直流充電協(xié)議和系統最初由歐洲和美國的汽車(chē)制造商、EVSE基礎設施制造商和其他行業(yè)相關(guān)參與者開(kāi)發(fā)和認可。亞洲制造商也加入了該組織。這些機構大多正式組織為CharIN協(xié)會(huì )，負責協(xié)議的開(kāi)發(fā)和推廣。CCS系統與適用的IEC、SAE和ISO標準一致，支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過(guò)200  kW的直流充電能力，350 kW正在準備中[17]。在撰寫(xiě)本博客時(shí)，CharIN網(wǎng)樁列出了已部署的超過(guò)33,800個(gè)直流充電點(diǎn)的總體數量，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(lái)的交流充電對應物（Type 1和Type 2）的基礎上，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(chē)輛上的獨特插座類(lèi)型（每個(gè)地區）可以同時(shí)進(jìn)行直流充電和交流充電。大多數CharIN的歐洲成員以IONITY的名義聯(lián)合起來(lái)，努力開(kāi)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

●    現有的標準和協(xié)議

 

在本節中，討論將使我們更深入地了解這項技術(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(dòng)汽車(chē)的基石。不出所料，快速直流電動(dòng)車(chē)充電是繼電動(dòng)車(chē)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(chǎng)之一。

 

直流充電樁的基礎設施配置

 

直流EVSE部署的第一個(gè)也是最常見(jiàn)的使用案例包括一個(gè)端到端的系統，從電網(wǎng)到電動(dòng)車(chē)的電池（圖9）。目前，這使用案例在充電樁和獨立的單體充電點(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。

 

在內部，這些充電器由前端的AC-DC三相有源整流級組成，執行功率因素校正（PFC）并提升直流鏈路電壓水平。隨后，一個(gè)隔離的DC-DC轉換級使輸出電壓和電流適應電動(dòng)車(chē)中電池的需要。

 

圖9顯示了該系統模塊。為了最大限度地提高能效和規模，對高電壓系統的需求越來(lái)越大。這既適用于中間母線(xiàn)電壓（在PFC和DC-DC轉換器之間），也適用于輸出電壓，因為800 V及以上的電動(dòng)車(chē)電池正在變得普遍。

 

如此高功率和高電壓的應用獲得了SiC模塊技術(shù)的好處，它表現出更高的擊穿電壓，更低的RDSON和動(dòng)態(tài)損耗，以及卓越的熱性能。損耗的減少、提高開(kāi)關(guān)頻率的可能性和增強的熱耗散使系統尺寸的縮小成為可能，無(wú)源元件的縮小和冷卻要求的降低。這一系列獨特的性能使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展。在這種情況下，快速直流充電器的內部模塊化也值得注意，因為大多數系統的特點(diǎn)是每個(gè)15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得系統更加靈活和堅固，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)。

 

圖9. 快速直流電動(dòng)車(chē)充電器的結構圖(左)。具有多個(gè)功率級堆疊的高功率直流電動(dòng)車(chē)充電器(右)

 

第二種EVSE部署配置，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步滲透到市場(chǎng)并搶占交通的重要部分，將獲得相關(guān)性，包括儲能系統（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(yáng)能。這種類(lèi)型的基礎設施將是維持電動(dòng)車(chē)環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵支柱，充電樁將成為消費的焦點(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(lái)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蓬勃發(fā)展。為了能夠在一天中可靠地提供能源，能源將來(lái)自電網(wǎng)，并在谷底時(shí)間轉移到高壓ESS。此外，太陽(yáng)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(yáng)能與電動(dòng)汽車(chē)充電樁整合的可能框圖

 

這種配置將引起對不同結構的直流充電器的需求，其中整流PFC級和DC-DC級是獨立的單元。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雙向轉換器提供的由太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量被送入電動(dòng)車(chē)充電器（DC-DC轉換器）或保存在ESS中。綁定在車(chē)輛上的降壓型DC-DC轉換器將使其輸出電壓適應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(jiàn)拓撲結構和功率器件？

 

在上一節中，已經(jīng)介紹了快速DCEV充電基礎設施的標準配置，以及未來(lái)可能的典型基礎設施。下面介紹當今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉換器拓撲結構和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

 

有源整流三相PFC升壓拓撲結構

 

前端三相PFC升壓級可以用多種拓撲結構實(shí)現，而且幾種拓撲結構可以滿(mǎn)足相同的電力要求。在 "解密三相PFC拓撲結構 "中詳細介紹和討論了每種拓撲結構的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動(dòng)車(chē)充電應用中常見(jiàn)的PFC架構。它們之間的一個(gè)首要區別是雙向性。T-中性點(diǎn)鉗制（T-NPC）和I-NPC拓撲結構通過(guò)用開(kāi)關(guān)取代一些二極管而適合雙向操作。6個(gè)開(kāi)關(guān)的結構是一個(gè)雙向的perse。

 

圖11. 用于快速直流電動(dòng)車(chē)充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓撲結構。

 

T-NPC（左上）、6開(kāi)關(guān)（右上）和I-NPC（底部）

 

另一個(gè)影響設計和功率器件額定電壓的重要因素是架構中的級數。6個(gè)開(kāi)關(guān)的拓撲結構是一個(gè)2級架構，通常用900 V或1200 V的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現快速直流電動(dòng)車(chē)充電器。這里SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區域的首選解決方案，特別是對于每塊15 kW以上的高功率范圍。這種集成表現出比分立解決方案更優(yōu)越的功率性能，提高了能效，簡(jiǎn)化了設計，減小了整個(gè)系統的尺寸，并最大化可靠性。T-中性點(diǎn)箝位（T-NPC）是一種3級拓撲結構，使用1200 V整流器（以雙向形式用開(kāi)關(guān)代替），中性點(diǎn)路徑上有650 V開(kāi)關(guān)背對背。I-NPC是一個(gè)3級架構，可能完全用650  V開(kāi)關(guān)實(shí)現。650  V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級拓撲結構的優(yōu)秀替代方案。

 

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

 

DC-DC拓撲結構

 

在研究DC-DC轉換級時(shí)，主要采用了三種隔離拓撲結構：全橋LLC諧振轉換器、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過(guò)渡（ZVT）轉換器和全橋移相ZVT轉換器（圖13、14和15）。

 

全橋LLC諧振

 

LLC轉換器在初級端實(shí)現了零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），同時(shí)--在諧振頻率及以下--在次級端實(shí)現了零電流開(kāi)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)純粹的頻率調制（FM）系統，當系統工作點(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(huì )下降。然而，先進(jìn)的混合調制方案使今天的脈沖調制（PWM）與調頻相結合，限制了最大頻率失控和高損耗。不過(guò)，這些混合實(shí)現方式還是給已經(jīng)有時(shí)很麻煩的LLC控制算法增加了復雜性。此外，并聯(lián)的LLCs轉換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來(lái)說(shuō)，當有可能在相對較小的電壓范圍內工作時(shí)，和/或當具備實(shí)施結合調頻和PWM的先進(jìn)控制策略的開(kāi)發(fā)技能時(shí)，LLC是一種難以超越的設計。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，這是另一種復雜的拓撲結構。

 

圖13. 全橋LLC轉換器

 

帶有次級同步整流拓撲結構的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作，一般來(lái)說(shuō)，需要比LLC轉換器更簡(jiǎn)單的控制。DAB可以被認為是傳統的全橋移相ZVT轉換器的演變，但漏電感器在初級端，這簡(jiǎn)化了繁瑣的次級端整流，減少了二次開(kāi)關(guān)或二極管的必要額定擊穿電壓。由于實(shí)現了ZVT，這些轉換器可以在很寬的輸出電壓范圍內提供穩定的高能效。這對于支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來(lái)說(shuō)是個(gè)方便的因素。DAB的PWM工作帶來(lái)了好處。首先，它傾向于使轉換器的電磁干擾（EMI）頻譜比調頻系統中的更緊密。此外，用固定的開(kāi)關(guān)頻率，系統在低負載時(shí)的行為更容易解決。通過(guò)同步整流，DAB是一種雙向的原生拓撲結構，是快速電動(dòng)汽車(chē)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轉換器

 

對于單向操作，傳統的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個(gè)可用的選擇，但滲透率越來(lái)越低。這種拓撲結構的工作與DAB類(lèi)似，但位于次級端的電感器在整流中帶來(lái)一個(gè)顯著(zhù)的差異。電感器在二極管上設置了高的反向電壓，這將與占空比成正比和反比，因此，根據工作條件，二極管上的反向電壓可能超過(guò)輸出電壓的兩到三倍。這種情況在高輸出電壓的系統中（如電動(dòng)車(chē)充電器）可能具有挑戰性，通常多個(gè)次級繞組（具有較低的輸出電壓）被串聯(lián)起來(lái)。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，不同的拓撲結構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電源轉換級中全橋的一個(gè)非常合適和常見(jiàn)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轉換器

 

拓撲結構的變體

 

所討論的拓撲結構存在多種變體，帶來(lái)額外的優(yōu)勢和折沖。圖16顯示了用于快速電動(dòng)車(chē)充電的全橋LLC轉換器的一個(gè)常見(jiàn)替代方案。在移相中，開(kāi)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（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助于解決不同的系統要求。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級架構允許單極開(kāi)關(guān)，這有助于減少峰值電流和電流紋波，這將導致用更小的變壓器。這種拓撲結構的主要缺點(diǎn)之一是，與具有較少電源開(kāi)關(guān)的2級版本相比，控制算法需要額外的復雜程度。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(dòng)汽車(chē)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撲結構。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特的性?xún)r(jià)比解決方案。由于其零反向恢復特性，與硅基替代品相比，這些器件大大增強了整流性能和能效，大大降低了損耗和整流級的復雜性。硅基二極管，如Hyperfast、UltraFast和Stealth，可以作為成本非常有限的項目的替代品，但要犧牲性能和復雜性。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(lái)說(shuō)并不方便。與全橋整流不同的是，在全橋整流中，二極管的標準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)數值的兩倍。常規的全橋移相轉換器（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。為了克服常規全橋移相轉換器對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(lái)。

 

其他重要的設計考慮因素

 

除了電源轉換器中的拓撲結構和開(kāi)關(guān)器件外，在開(kāi)發(fā)快速電動(dòng)車(chē)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(kāi)關(guān)在高頻率下工作時(shí)。

 

門(mén)極驅動(dòng)系統：

 

在所有的拓撲結構中，驅動(dòng)系統仍然是快速直流電動(dòng)車(chē)充電器的一個(gè)重要方面，對系統性能有直接影響。

 

隔離：

 

在隔離的主題下，首先要考慮的問(wèn)題之一。鑒于快速直流電動(dòng)車(chē)充電器所討論的高功率和高電壓，電隔離對于高端驅動(dòng)器是必須的。對于低端同類(lèi)產(chǎn)品，盡管從安全角度看并非總是嚴格必要的，但常見(jiàn)的做法是使用與高端相同的門(mén)極驅動(dòng)系統和電路。這種方法帶來(lái)了多種好處，包括解決方案的實(shí)施和系統的穩健性。一方面，它有利于同一半橋上的開(kāi)關(guān)器件之間的延遲匹配。這簡(jiǎn)化了PWM序列和死區時(shí)間的控制和實(shí)施，以防止擊穿事件。此外，隔離驅動(dòng)器通過(guò)最大限度地提高其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）來(lái)增強系統的堅固性，這在使用快速開(kāi)關(guān)寬禁帶技術(shù)在高dV/dt驅動(dòng)時(shí)特別重要，如SiC。這里還需要指出的是，采用開(kāi)爾文連接的電源開(kāi)關(guān)需要一個(gè)浮動(dòng)或電隔離的驅動(dòng)器（在高端和低端）來(lái)獲得配置的好處，因為它將大大減少損耗和提高傳播時(shí)間。

 

片上保護和功能:

 

門(mén)極驅動(dòng)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。根據系統的要求和開(kāi)關(guān)的類(lèi)型，可能需要過(guò)電流保護（"DESAT"）--IGBT和SiC MOSFET的典型保護--米勒鉗制（避免錯誤開(kāi)啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實(shí)現緊湊的系統，并最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiC的高開(kāi)關(guān)頻率系統的基本要求。在數字控制的系統中，內置保護也非常方便，可以提供板載保護。在系統能效方面，門(mén)極驅動(dòng)器的接受端和源端能力對于通過(guò)快速充電和放電寄生門(mén)極電容實(shí)現快速開(kāi)關(guān)轉換至關(guān)重要。在使用SiC技術(shù)時(shí)，這在高功率應用中特別重要，因為這比基于Si的IGBT或SJ MOSFET實(shí)現更快的轉換。

 

電隔離門(mén)極驅動(dòng)器系列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開(kāi)發(fā)快速電動(dòng)車(chē)充電器帶來(lái)設計靈活性和系統可靠性，在片上集成了多種功能和保護措施，并顯示出高達9 A的驅動(dòng)電流能力。該產(chǎn)品組合包括單通道驅動(dòng)器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7，以及雙通道驅動(dòng)器，如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256，以滿(mǎn)足所有使用情況。

 

 

圖17. 電隔離的單通道和雙通道門(mén)驅動(dòng)器框圖

 

驅動(dòng)器電源:

 

與門(mén)極驅動(dòng)器相鄰的一個(gè)話(huà)題是驅動(dòng)它們所需的隔離電源。SiC開(kāi)關(guān)的最佳性能是通過(guò)+20 V – 5 V的偏置電壓實(shí)現的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細節可以在"Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅動(dòng)建議"。同樣，對于門(mén)極驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，電源需要緊湊和堅固，確保在所有工作條件下有穩定的電壓軌。圍繞NCV3064開(kāi)關(guān)穩壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助于滿(mǎn)足這些需求。

 

保護措施:

 

快速直流電動(dòng)車(chē)充電的另一個(gè)重要考慮因素是系統中必要的安全保護，尤其是法規所規定的安全保護。強制性保護是針對車(chē)外的接地故障電流（GFC），以防止對人體產(chǎn)生危險的電擊風(fēng)險。特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專(zhuān)門(mén)為EV充電而開(kāi)發(fā)的，IEC61851-1（前面討論過(guò)）和UL 2231-1/2標準分別對其在歐洲/亞洲和北美的實(shí)施進(jìn)行了規范。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿(mǎn)足這些法規的要求，為開(kāi)發(fā)符合安全要求的EVSE提供了現成的解決方案。

 

輔助電源:

 

輔助電源單元（PSU）在電力系統中無(wú)處不在，快速直流電動(dòng)車(chē)充電也不例外。隔離反激拓撲結構是方便和可靠的選擇，可以提供低壓系統所需的典型的10-40 W。特別是，對于快速直流電動(dòng)車(chē)充電，直流母線(xiàn)的電壓水平是影響整個(gè)系統的主要因素之一?，F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(xiàn)電壓水平高達800 V（甚至更高）是很常見(jiàn)的，并不是所有的傳統方案都適合電動(dòng)汽車(chē)充電。在這里，圍繞NCP1362準諧振谷初級端開(kāi)關(guān)或NCP1252和NCP12700次級端控制器開(kāi)發(fā)的PSU可以幫助解決這些需求。在開(kāi)關(guān)方面，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用，因為它們帶來(lái)了出色的性?xún)r(jià)比，是900 V DC系統的最佳方案。

 

歸結一切

 

在本博客的第一章節，我們已經(jīng)看到了電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的增長(cháng)是如何加速的，以及為什么隨著(zhù)更多的電動(dòng)車(chē)上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。在過(guò)去的大多月份里，指向這一方向的新聞如雨后春筍般涌現，其中一個(gè)是美國總統宣布的到2030年建立50萬(wàn)個(gè)直流充電樁網(wǎng)絡(luò )的計劃[21]。其最終目標是推動(dòng)電動(dòng)車(chē)成為主流，擺脫以?xún)热紮C為基礎的交通工具，并應對氣候變化?？焖俸统焖俚闹绷鞒潆姌妒请妱?dòng)汽車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵支柱，也是完成生態(tài)系統的一個(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，因為可以在較長(cháng)時(shí)間內充電。作為一個(gè)新生的、快速發(fā)展的市場(chǎng)，快速直流電動(dòng)車(chē)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(guò)，所有這些的共同點(diǎn)將是越來(lái)越高的功率、電壓水平和能效。此外，隨著(zhù)此類(lèi)基礎設施的大規模推出，競爭格局變得更加嚴酷，安裝的投資回報率也將需最大化，預計對尺寸、重量、成本和可靠性的限制也會(huì )加強?，F在，SiC功率技術(shù)正在成熟，其價(jià)格正在達到有吸引力的水平，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，使充電系統更輕、更小、成本更優(yōu)化，可提供高達400 kW的功率。除了SiC技術(shù)和功率模塊的內在優(yōu)勢，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動(dòng)車(chē)的基石。安森美半導體不僅是SiC技術(shù)和功率集成模塊的一個(gè)領(lǐng)先供應商，而且在質(zhì)量上與眾不同。作為極少數擁有SiC完整供應鏈的供應商之一，安森美半導體確保我們的SiC分立及模塊產(chǎn)品的最高質(zhì)量和可靠性標準，以及卓越的運營(yíng)和靈活性。

 

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繼續學(xué)習:

 

●    開(kāi)發(fā)一個(gè)25 kW的基于SiC的快速直流充電器

●    第一代1200 V SiC MOSFET和模塊: 特性和驅動(dòng)建議

●    揭開(kāi)三相PFC拓撲結構的神秘面紗 

 

 

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