快速充電站的多用性會使電動車數(shù)量暴增

毫無疑問電動車將是我們的未來。幾乎所有的汽車制造商都已開發(fā)出電動汽車模型，或承諾將很快開發(fā)新的電動汽車。在內(nèi)燃機（ICE）占據(jù)主導地位100多年后，制造商們終于放手，致力于電動汽車的未來。

雖說這樣與燃油車分手很舍不得。盡管化石燃料的儲存依然豐富，溫室效應狀況也有了改善，但由于綠色出行的倡導、政府法規(guī)和購買者的普及正推動著世界向電動汽車發(fā)展。

發(fā)展道路上的攔路虎

除了汽車制造商從基于ICE產(chǎn)品線轉(zhuǎn)變?yōu)榛贓V產(chǎn)品線需要數(shù)十億美元的投資外，有限的續(xù)航里程和過長的充電時間是電動車飽受詬病的兩大因素。

典型的燃油車在加滿油前的行駛里程可達400英里，還有成千上萬的加油站的幫助。

大多數(shù)電動汽車充電一次能跑100英里就算很不錯了，但電池性能更好的新車型現(xiàn)在可以在充電前跑200英里，300英里肯定會成為普遍現(xiàn)象。電池的持續(xù)發(fā)展將在不久的將來提升這一范圍。

消費者“里程焦慮”的另一個因素是充電站數(shù)量有限。如果附近有大量充電站，短程充電是可以接受的，目前的數(shù)量尚且不夠。為了使電動汽車在哪里都能夠補充電量，充電站的數(shù)量應該與我們今天可以使用的加油站數(shù)量相等。

福特最近宣布與美國電氣化公司和綠地公司合作開發(fā)一個全國性的電動汽車充電網(wǎng)絡—FordPass Charging充電網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由12000個充電站和35000個插頭組成。這些電站將具有高功率直流充電能力，將加快充電速度。如今，即使使用高壓直流電源，完全充電也需要大約30分鐘。與加滿一次汽油的時間很少超過10分鐘相比，誰愿意等那么久？

一旦公眾充分意識到這數(shù)以千計的快速充電站將逐步建成，電動汽車的銷量很快就會大幅增長。

性能更好的電力電子的解決方案

所有的高壓直流充電站的主要需求是低成本、高效率的AC－DC和DC－DC轉(zhuǎn)換器，這大大加快了充電站的充電速度。這些充電器直接連接到汽車的主驅(qū)動電池上，為主驅(qū)動電機提供400v或更高的電壓。像這樣給電池充電需要很大的電力。這種被稱為L3級的充電器會直接連接到三相交流電源線上。

汽車工業(yè)和汽車工程師協(xié)會（SAE）已經(jīng)為電動汽車充電器建立了一些正式的標準，通常被稱為電動汽車供應設備（EVSE）。下表總結(jié)了這些類型的充電器。

1級和2級充電器內(nèi)置在車輛上，被稱為車載充電器（OBC），在家庭、工作、私人／公共插座上充電。1級和2級的充電時間很長，但在夜間充電是沒問題的。

3級充電器用于公共充電站。有了三相電網(wǎng)電力輸入，充電時間可能大大縮短。3級充電器直接將直流電送到電池。輸出200－ 800V范圍和400 A左右的電流水平，充電時間大大減少。據(jù)介紹3級充電器可以在20分鐘內(nèi)為電池充電80％，是未來電動車健康發(fā)展的良藥。

直流充電機體系結(jié)構(gòu)

下圖顯示了一個通用的架構(gòu)，可以把它想象一個3級充電器。它從電網(wǎng)接收三相交流電，對其進行過濾，然后提供功率因數(shù)校正（PFC），使交流電整流成直流電。DC－DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)所需的高壓直流連接到電池上。嵌入式MCU控制整個系統(tǒng)，包括PFC、整流器和轉(zhuǎn)換電路的門驅(qū)動器。這是一個簡單的介紹，實際的電路要復雜得多。

下圖說明了典型的電路。交流輸入應用于PFC和維也納整流電路?？刂芃CU的脈寬調(diào)制（PWM）開關MOSFET，從而發(fā)生整流和功率因數(shù)校正。

這里，介紹一下維也納整流電路。］VIENNA整流器電路結(jié)構(gòu)簡單，開關管數(shù)量少，可以實現(xiàn)三電平運行，同等輸出電壓情況下，能有效地降低開關管的電壓應力。另外，該電路具有三電平結(jié)構(gòu)，因而，在確定電流紋波要求下，可以采用較小的濾波電感。由于上述特點使得該電路在單相功率因數(shù)校正（PFC）場合具有良好應用前景。

高壓輸出被應用到兩個并聯(lián)諧振的DC－DC轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生為電池充電的輸出電壓。變換器MOSFET由單片機PWM信號驅(qū)動。全橋電路之間的變壓器耦合提供了輸入和輸出之間必要的隔離。

注意，在上圖中輸出階段是并聯(lián)的。為了擴大輸出功率以實現(xiàn)更快的充電，大多數(shù)像這樣的dc－dc轉(zhuǎn)換器可以堆疊或進一步并聯(lián)。有了這種安排，就可以容納多種功率級別。

實現(xiàn)L3充電器

德州儀器的TIDA－010054雙主動橋參考設計是為L3充電器所精心設計的。下圖顯示了電路和相關部分，如碳化硅柵極驅(qū)動器。

此圖顯示了雙有源全橋單相DC／DC變換器（DAB）的組成，左邊是維也納的高壓橋整流器／ PFC （700 － 800 V），右邊是電源電路， 為電池充電（380 － 500v）。這樣的安排可使疊加轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高功率輸出，并提供雙向操作模式，支持電池的充放電應用。

本設計的一些主要特點

軟切換換相

效率在97％到98％之間

隔離電壓和電流感應

電隔離

TI的C2000 MCU TMS320F280049數(shù)字控制控制器

最大輸出功率為10kw

SiC MOSFET器件

這些轉(zhuǎn)換器的關鍵元件是開關晶體管。以前的設計使用雙極結(jié)晶體管（BJT），但很快被MOSFET取代。不久的將來，基于超級結(jié)技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉(zhuǎn)換器領域的業(yè)界規(guī)范，有些設備不能處理的問題，如涉及的非常高的電壓和電流這種可以由IGBT處理。

如今的趨勢是使用更多功能的SIC MOSFET。這些設備可以很容易地管理電壓高達1000v或更高的高電流水平。它們的開關速度更快（最高可達100 kHz），并且具有更低的通阻，有助于提高效率。

使用能夠處理雙向功率的dc－dc轉(zhuǎn)換器是當今充電站設計的趨勢。這種配置允許車輛內(nèi)部能夠靈活安排其他充電和負載供電應用。車輛對電網(wǎng)（V2G）模式是一個比較理想的特性，該模式允許車輛電池將電力送回電網(wǎng)。

延伸閱讀——OBC

這幾年，我國不斷提倡發(fā)展包括新能源汽車在內(nèi)的節(jié)能汽車，其中電動汽車（EV）成為一大熱點，而車載充電（OBC）是電動汽車應用中的一大重要部分。

EV充電解決方案

AC充電

每輛車都有一個車載充電器（OBC）

在家庭、工作、私人／公共插座上充電

最大公共電源充電電平 ＠ AC充電站

7．2kW（32A單相），22kW（三相）

充電時間

對于AC充電站 7．2kW＠32A，為3－4小時

DC充電

適用于短暫停留和大量充電

（例如，長途旅行）

充電電量 ≥50kW＠ ≥100A

充電＠ EV充電站

對于80％充電，充電時間通常需要30－60分鐘

AC充電解決方案 － 概述

車載充電器（OBC） － 主要特點

OBC是一個由（PFC ＋ 隔離DC－DC）主級組成的AC－DC轉(zhuǎn)換器

功率水平可達22kW

輸入電壓

EU230 Vac或 400 Vac

US120Vac或 240 Vac

電壓輸出范圍200VDC－450VDC

高效率

需要AEC－Q101功率分立器件

AEC－Q100集成電路需要為

最小尺寸

（3ph ＋ Neutral）輸入模塊化方法

3x（相位到中性）供電優(yōu)勢

模塊化方法3x（PFC ＋ DC－DC）模塊具有共同輸入，可實現(xiàn)

1．簡單的系統(tǒng)實現(xiàn)

非常容易從單相解決方案修改為3相供電解決方案。3相中的每一相都可采用典型單相拓撲。

2．系統(tǒng)可靠性更高

即便一個或多個模塊發(fā)生故障，仍能保證充電功能

3．更高的系統(tǒng)效率

對于部分加載請求， 三個模塊中僅有一些是接通的