如何优化大功率直流充电桩设计?

2024-03-26

充电时间是消费者和企业评估购买电动汽车 (EV)的一个主要考虑因素。为了缩短充电时间,业界正转向采用直流充电桩 (DCFC) 。DCFC 绕过电动汽车的车载充电器,直接向电池提供更高的功率,从而大大缩短充电时间。

为了实现更快的充电速度、适配更高的电动汽车电池电压并提高整体能效,DCFC 必须在更高的电压和功率水平下运行。这给 OEM 带来了挑战,必须设计出一种能够优化效率,同时不影响可靠性和安全性的架构。

DCFC 集成了多种器件,包括用于辅助电源、感测、电源管理、连接和通信的器件。另外,为了满足各种电动汽车不断发展的充电需求,必须采用灵活的制造方法,这也使设计变得更加复杂。

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图 1. DCFC 中的主要模块概览

快速和超快速充电

图 2 显示了交流充电和直流充电之间的差异。对于交流充电(图 2 左侧),车载充电器 (OBC) 插入标准交流插座。OBC 将交流电转换为适当的直流电为电池充电。对于直流充电(图 2 右侧),充电桩直接给电池充电。

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图 2.交流充电和直流充电概念图。
资料来源:Yolé Development

目前电动汽车的 OBC 依赖交流充电,最大额定功率为 22 kW。直流充电绕过了 OBC,直接向电池输送直流电,因此能提供高得多的功率,从 50 kW 到 400 kW 以上甚至更高。

由于这个原因,DCFC 常被称为“快速”或“超快速”充电桩。如此高的充电速度和更大的便利性为电动汽车带来了更多的应用和用例。例如,电动汽车如果需要八小时才能充满电,是不适合长途驾驶的,但借助超快速充电桩,电动汽车可以在短暂的休息时间内大量充电,增加车辆的续航里程,使其更加适合日常使用。因此,从现在到 2030 年,快速直流充电桩的复合年增长率预计将超过 30%(来源:Yolé Development)。

碳化硅 (SiC) 和功率集成模块 (PIM) 技术的进步,是促进向更快速充电转变的关键驱动力。SiC 使 DCFC 能够以更高的频率运行(因而效率也更高),同时以更快的速度提供更多功率。PIM 使 OEM 能够快速将先进的技术集成到紧凑、轻便的设备中,并实现出色的热管理、可靠性和可制造性,从而加快 SiC 技术的普及。


DCFC 剖析

如图 3 所示,直流充电桩主要包括两级:AC-DC 级和后续 DC-DC 级。AC-DC 级将来自电网的交流电转换为直流电,而第二级确保以适合电池所需的电压和电流水平提供功率。

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图 3. DCFC 的架构


对于商业应用,3 级充电桩需要使用三相电源(图 4),可以在短短 30 分钟内增加 100 多英里的续航里程。在将电动汽车技术引入运输和物流等应用方面,这些超快速充电桩将发挥重要作用。

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图 4. 单相电网的功率流(左),三相电网的功率流(右)

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图 5. 快速直流充电桩的架构

3 级 DCFC 的前端由三相功率因数校正 (PFC) 升压级组成,可以是单向或双向;升压级可以采用各种拓扑(二电平或三电平)实现。PFC 级接受电网电压(400 EU、480 US),并将其升压至 700 至 1000 V。对于下一代充电桩,业界已经瞄准了更高电压。

在升压级之后,DC−DC 隔离级将总线电压转换为所需的输出电压。此电压需要与电动汽车电池的充电曲线保持一致。因此,DC-DC 输出可能需要在 150 V 至 1500 V 之间摆动,具体电压取决于电池和所处的充电阶段。转换器通常针对特定电压水平(常见为 400 V 或 800 V)进行优化。为了实现更高的功率水平,DCFC 会将多个功率模块(图 6)堆叠起来并联运行。

为了在此类高电压下实现更高的效率,业界正从分立式、IGBT 和混合方案转向 SiC 功率集成模块 (PIM)。(图 7)除 PIM 之外,DCFC 还需要多种功率器件,包括栅极驱动器 IC、数字隔离器、电源 IC(LDO、SMPS 等)和电流检测。

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图 6. 300 kW DCFC 中的 12 x 25 kW 构建模块

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图 7. 机电设计比较

通信和连接也是 DCFC 设计的关键方面。堆叠的模块需要能够与充电桩控制器通信,车辆和充电桩必须就充电序列进行通信(CAN 或 PLC)。独立的快速直流充电桩还需要能够处理充电相关的支付。最后,充电桩需要管理自身的维护、软件升级等(例如通过蓝牙低功耗、Wi-Fi 4、LTE)。实际标准由所使用的直流充电协议规定,例如 IEC−61851 / SAE1772、GB/T、CHAdeMO、组合充电系统 (CCS) 或特斯拉超级充电桩(图 8)。

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图 8. 交流和直流快速充电桩的架构

DCFC 关键设计考虑因素

设计 DCFC 时,有多个关键因素需要考虑,这些因素会影响架构设计和器件选择:


目标效率:

确定应优化效率的电压和功率范围。充电桩在充电期间在不同的电平运行,因此系统应针对对电力传输效率影响最大的电平进行优化。


分立式设计还是功率集成模块 (PIM):

分立式设计的灵活性更大,但开发过程也更复杂(图 7)。对于许多应用而言,模块在效率方面的诸多优势是分立式设计难以企及的。例如,模块将多个功率器件集成在单个紧凑的封装中,简化了机械组装,优化了热管理,提高了可靠性,并减少了电压尖峰和高频 EMI。


架构/拓扑结构:

所选择的拓扑结构(即二电平还是三电平)以及充电桩需要单向运行还是双向运行,都会影响器件的选择。实现直流充电桩 PFC 和 DC-DC 级的拓扑结构选项有许多。由于功率和电压水平非常高,许多 OEM 的首选架构一般是三级功率因数校正 (PFC)。PFC 设计最常用的拓扑结构有三开关 Vienna(单向)、NPC、A-NPC、T-NPC(双向替换二极管)和六开关(双向) 。DC−DC 级通常以全桥或相移 LLC 及其变体实现,并采用双有源桥 (DAB) 架构支持双向拓扑结构。这些拓扑结构包括二电平和三电平系统,它们分别采用 600 至 650 V 或 900 至 1200 V 开关和二极管。(进一步了解拓扑结构:快速直流电动汽车充电:系统中使用的常见拓扑和功率器件)


约束条件:

应注意物理系统约束,包括尺寸、重量、成本和其他需要考虑的限制因素。例如,如果尺寸和重量很重要,那么选择基于 SiC 的模块将能降低总体布线要求,减小系统尺寸,并减轻车重。


热管理:

管理散热对于维持效率、可靠性和系统使用寿命至关重要。使用 SiC 器件以更高频率运行,可以提高功率密度,提升效率,并减少需要管理的热量。此外,许多模块还针对使用极低热阻材料的热传递进行了优化。


仿真模型:

拥有器件和模块的精确模型可以大大简化和加速设计过程,尤其是在权衡多种设计方案时。


通信:

明确特定应用需要哪些标准和协议。确保所选的供应商和产品系列支持所有可能需要纳入的标准,以支持当今和未来的电动汽车。

保护:

根据法规要求,必须配备接地故障断路 (GFI) 功能。其他功能(如浪涌电流和过压保护)也至关重要。系统中如何集成这些功能(即单独的电路、功率级的一部分、集成在模块上等),将会影响对其他系统约束条件的优化。

先进的充电架构

理想情况下,电动汽车在非高峰时段充电。这会大大降低电力成本,并减少高峰时段电网的负荷,避免造成停电。

为了实现这一目标,直流充电桩需要与储能系统 (ESS) 和太阳能发电系统集成。ESS 在非高峰时段充电,储存电力以供白天使用。通过安装太阳能电池板以在白天发电,可以减少对 ESS 电力的消耗,从而减轻 ESS 的负荷。在这种配置中,DC/DC 转换器可以连接到高压总线来为电动汽车充电。

安森美(onsemi)致力于在供应链的所有层面实现可持续发展。对于希望采用此类先进架构的 OEM,安森美可以帮助他们以高效、安全、可靠、可持续的方式集成合适的技术。

快速和超快速直流充电是电动汽车的未来。快速直流充电桩能够将充电时间缩短至不到一小时,这将为电动汽车开辟一系列全新的应用领域和使用场景。

总结

通过了解影响器件选择的关键设计考虑因素,工程师可以优化大功率直流充电桩架构,实现更高的效率、可靠性和性能。随着碳化硅和功率集成模块等技术的进步,工程师可以更快速地评估和设计复杂系统,而无需作出妥协。由此,OEM 可以迅速且经济高效地满足市场的充电需求。而且,OEM 可以与合适的合作伙伴合作,通过集成储能系统等新技术来创建更具可持续性的基础设施,从而不断提升产品的质量和实用性。

虽然 IGBT 和混合实现方案仍在使用,但基于 SiC 的功率模块正迅速成为 DCFC 充电应用的首选方案。安森美提供专用于 DCFC 的现成 PIM 系列,其具有 EliteSiC 900 V 和 1200 V 击穿电压额定值。这些模块支持半桥和全桥拓扑结构,采用 F1 和 F2 封装,具有极低的 RDSons(3 至 40 mΩ,具体取决于配置)。此外,安森美正在开发多种使用 M3S 技术平台的新的 SiC PIM 产品,以进一步为设计人员的系统设计提供更大的灵活性。

安森美还提供丰富的参考设计和硬件,配备专门的专家应用团队,为全球电动汽车充电系统设计提供 SiC 驱动器优化和系统方案专业知识,让设计人员可以快速评估驱动器并加速应用开发。

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