大功率直流充電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

國家大功率充電標(biāo)準(zhǔn)“Chaoji”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計目標(biāo)是未來可實現(xiàn)電動汽車充電5分鐘行駛400公里。

“Chaoji”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要設(shè)計參數(shù)如下：

最大電壓：目前1000V (可擴(kuò)展到1500V);

最大電流：帶冷卻系統(tǒng) 500A(可擴(kuò)展到600A);

不帶冷卻系統(tǒng) 150-200A;

最大功率：900KW。

大功率直流充電系統(tǒng)架構(gòu)

大功率直流快充系統(tǒng)一般由以下幾部分構(gòu)成：

三相有源整流前端完成AC-DC轉(zhuǎn)換;

功率因數(shù)校正(PFC);

具有隔離功能的DC-DC轉(zhuǎn)化器，輸出電動車電池需要的電壓。

圖片來自：onsemi

如下圖25kW的直流充電樁的架構(gòu)圖所示，在實際設(shè)計的過程中，需要充電樁的輸出功率和使用場景的不同，考慮到更多的維度包括：

功率拓?fù)洌≒FC和DC-DC的電源拓?fù)?

開關(guān)調(diào)制模式;

開關(guān)頻率及損耗;

整機熱管理;

輔助電源設(shè)計;

單相還是雙向。

25 kW電動車直流充電樁的高級框圖

圖片來自：onsemi

有源整流升壓級(PFC)

常見的商用直流充電器要求實現(xiàn)0.99的功率因數(shù)和低于7%的總諧波失真。

3相6開關(guān)有源整流與T-NPC或I-NPC等3級PFC維也納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，高效而且可以實現(xiàn)雙向輸出，元件數(shù)量也少。

系統(tǒng)的開關(guān)頻率被設(shè)定為70 kHz，以保持二次諧波低于150 kHz，傳導(dǎo)輻射能夠得到控制，也簡化了EMI濾波器的復(fù)雜性。

三相6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有功率因數(shù)校正(PFC)

圖片來自：onsemi

雙有源全橋(DC-DC)

DC-DC級包含兩個全橋、一個25千瓦的隔離變壓器和一個初級側(cè)的外部漏電感，以實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)。

雙有源橋(DAB)DC-DC級

圖片來自：onsemi

雙有源橋(DAB)在實現(xiàn)雙向運行的基礎(chǔ)之上，利用移相調(diào)制可以實現(xiàn)在200 V至1000 V的輸出電壓時，峰值的能效達(dá)到98%。開關(guān)頻率設(shè)定為100 kHz，將開關(guān)損耗、磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

另一種方案是CLLC諧振轉(zhuǎn)換器，是對LLC的改版，可實現(xiàn)雙向工作。然而如果想要，控制、優(yōu)化和調(diào)整CLLC以實現(xiàn)雙向功能，并在較寬的輸出電壓范圍實現(xiàn)高輸出功率，需要結(jié)合頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制，控制相對復(fù)雜。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)消息：電動汽車(EV)直流快速充電機繞過安裝在電動汽車上的車載充電機，直接為電池提供快速直流充電。如下圖所示，直流快速充電機由一級 AC-DC 和一級 DC-DC 組成：

圖 1. 直流快速充電機由一級 AC-DC 和一級 DC-DC 組成

在優(yōu)化系統(tǒng)效率的同時最大限度縮短充電時間是直流快速充電機的主要關(guān)注點。在設(shè)計此類系統(tǒng)時，必須考慮器件選型、電壓范圍和負(fù)載要求、運行成本、溫度、堅固性和環(huán)境保護(hù)，以及可靠性。

相比傳統(tǒng)硅(Si)和 IGBT 器件，基于碳化硅(SiC)的器件由于具有工作溫度更高、導(dǎo)通損耗更小、漏電流更低、浪涌耐受能力更強、最大額定電壓，以及整體功率密度更高的特點，可實現(xiàn)更好的性能。但是，要充分利用這些優(yōu)勢，則必須對功率變換器拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。

本文旨在探討數(shù)種考慮用于快速充電機系統(tǒng)的功率變換器拓?fù)浜鸵恍┛衫玫墓ぞ?資源，以及包含多項關(guān)鍵比較的匯總表格。

無論是在家庭或公共區(qū)域、高速公路通道還是為車隊充電，對交流電網(wǎng)的功率需求可從 2.2 kW 一路升到 1 MW。此類電網(wǎng)系統(tǒng)通常設(shè)計為 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 電源塊，可根據(jù)充電位置和車輛類型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足更高或更低的不同需求。功率級別和系統(tǒng)的一般疊層方式如下圖所示：

圖 2. 功率級別和系統(tǒng)的一般疊層方式

接下來，在設(shè)計時需要分析直流快速充電應(yīng)用的實用性。首先，此類充電機安裝在需要寬電池電壓范圍和寬負(fù)載曲線的公共區(qū)域。例如，目前道路上的大多數(shù)電動汽車的電池電壓均在 350 V - 450 V 范圍內(nèi)，而新車型則采用 800 V 電池。此外，每一款電動汽車電池都有不同的充電曲線，這意味著電動汽車充電機在設(shè)計時要滿足寬負(fù)載曲線和高滿載能力的需求。分析客戶行為也很重要，因為與家用充電機不同，車輛幾乎始終會行駛到充電位置，因此此時的需求轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)熱電池和快速上升到峰值充電功率。您可以在左上圖中看到這一點，以及一些電池制造商所建議的電池容量達(dá)到 80% 時充電速率下降。

對于商業(yè)運營商而言，運營成本對投資至關(guān)重要。舉例來說，對于一個 360 kW 充電站，假設(shè)充電站每天運營 12 小時，充電單價為 25 美分/千瓦小時，如果充電效率提高 2%，每個充電站每天可節(jié)省約 22 美元。電動車市場的動態(tài)特性也推動充電系統(tǒng)對新車型的高度靈活性和更小的安裝占地面積的需求。

下面我們總結(jié)了快速充電機系統(tǒng)的系統(tǒng)目標(biāo)：

寬電池電壓范圍(350 V - 800 V)

寬負(fù)載曲線(單輛車/多輛車)和電池緩沖器(用于高性能車輛)

針對滿負(fù)載充電進(jìn)行優(yōu)化

實現(xiàn)雙向性，滿足回饋電網(wǎng)應(yīng)用的需求

靈活，可適應(yīng)新行業(yè)趨勢/標(biāo)準(zhǔn)

安裝占地面積小

降低運營成本，實現(xiàn)盈利

堅固耐用，工作溫度范圍廣

記住上述要求和設(shè)計目標(biāo)，一起來了解一些功率拓?fù)?。隨著新能源汽車市場的不斷發(fā)展，車載充電機的應(yīng)用越來越廣泛。其中，開關(guān)電源的設(shè)計對于充電機的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文將重點介紹新能源車載充電機OBC(車載充電機)的開關(guān)電源設(shè)計方案，包括數(shù)字控制核心算法的應(yīng)用和PFC和LLC等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。同時，本文還將分享一些實際研發(fā)過程中的經(jīng)驗，并提供了相關(guān)電源PFC資料和維也納設(shè)計資料等方面的寶貴參考。

二、設(shè)計方案

數(shù)字控制核心算法

在新能源車載充電機OBC的開關(guān)電源設(shè)計中，數(shù)字控制核心算法是整個系統(tǒng)的核心。數(shù)字控制具有精度高、穩(wěn)定性好、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，已成為電源設(shè)計的趨勢。在本文中，我們將介紹一種基于電壓電流環(huán)控制的數(shù)字控制算法，實現(xiàn)精準(zhǔn)的電壓和電流調(diào)節(jié)。

PFC和LLC的應(yīng)用

PFC(功率因數(shù)校正)和LLC(半橋變換器)是開關(guān)電源設(shè)計中的兩個重要環(huán)節(jié)。在本文中，我們將介紹一種采用TMS320F28035芯片實現(xiàn)PFC和LLC的設(shè)計方案。該方案具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點。

三、新能源汽車充電機設(shè)計方案

本文還提供了一些新能源汽車充電機的設(shè)計方案和相關(guān)技術(shù)資料，包括6KW雙向升降壓48-54DC輸入、320Vbc輸出等。具體設(shè)計方案包括電路拓?fù)?、控制算法、保護(hù)電路等方面。

多乘用電動汽車主已經(jīng)習(xí)慣了這種操作，下班回到家，把汽車連接在家用慢充充電樁上，但很多電動汽車車主不知道的是，為電動汽車充電的，其實不是充電樁，而是汽車上的車載充電機(On-board charger;OBC)，家用的慢充充電樁，只是提供了一個標(biāo)準(zhǔn)充電接口。

電動汽車充電機，按照其所在位置，劃分為車載充電機和非車載充電機兩類。

車載充電機以交流電源作為輸入，輸出為直流電，直接給動力電池包充電，與地面的交流充電樁適配。

交流充電樁交流輸入，交流輸出，不能直接給動力電池充電，需要連接車載充電機進(jìn)行電力變換，才能實現(xiàn)充電。

交流充電樁內(nèi)部比較簡單，基本功能就是將電網(wǎng)交流電引出到方便電動汽車充電的位置，并提供一個標(biāo)準(zhǔn)的充電接口，并可完成計費等額外功能，可以簡單理解為“一個帶電表的插座”。

車載充電機的輸入端以標(biāo)準(zhǔn)充電接口的形式固定在車體上，用于連接外部電源，車載充電機的輸出端直接連接動力電池包慢充電接口。

中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QCT895-2011電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機》中規(guī)范了車載充電機的組成結(jié)構(gòu)。

主要分為輸入端口、控制單元、功率單元、低壓輔助單元和輸出端口。

標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓，但如果功率需要，也可以啟用兩個備用pin口，可以實現(xiàn)三相380V輸入。

功率單元一般包括輸入整流、逆變電路和輸出整流3個部分，將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動力電池系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電。

通常對于整車廠來說，車載充電機的要求是成本低、尺寸小、重量輕、壽命長，同時可靠性和安全性都較高。

目前主流的乘用車領(lǐng)域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kw等，客車領(lǐng)域一般是40kw和80kw等，按冷卻方式可分為水冷型和風(fēng)冷型。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品設(shè)計的升級，獨立車載充電機的發(fā)展越來越受到集成化功率單元的挑戰(zhàn)。

在如特斯拉等新能源汽車制造商的新款產(chǎn)品中，OBC被同DC/DC變換器或PDU等整合在一起，形成“黑箱式”結(jié)構(gòu)，這對產(chǎn)品功率密度、熱管理性能等提出了更高的要求。