本文作者：Pradip Chatterjee（德國瓦爾施泰因）英飛凌電動(dòng)汽車充電應(yīng)用負(fù)責(zé)人

針對(duì)大功率充電樁（HPC）的工作運(yùn)行范圍和充電時(shí)序乃至通信和接口等一切要素，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的工作組都已制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在歐美，相關(guān)方面已經(jīng)同CharIN（電動(dòng)汽車充電接口倡議組織）及其提出的“聯(lián)合充電系統(tǒng)”（CCS）展開合作。其它國家也已制定類似的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括日本的CHAdeMO和中國的國標(biāo)GB/T。某些汽車制造商也對(duì)開發(fā)專有充電解決方案給予了重視。對(duì)于希望參與這一市場的制造商而言，選擇模塊化的方案顯然是必經(jīng)之路。本文要講述的就是如何采用模塊化的方案來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

幾十年來，車主已在不知不覺地被無所不在的加油站網(wǎng)絡(luò)慣壞。必須圍繞加油站點(diǎn)來計(jì)劃最優(yōu)行程的想法，根本不會(huì)出現(xiàn)在他們的腦海中。然而，對(duì)于考慮購買或租賃純電動(dòng)汽車（BEV）的用戶而言，這大概是他們首先想到的問題之一。雖然很多人使用電動(dòng)汽車主要是進(jìn)行續(xù)航里程范圍內(nèi)的短途旅行，但遇到周末外出或年假這樣的例外情況就需要考慮充電問題了。

停在家中時(shí)，我們的BEV可以慢慢地充上一夜電。許多大都市大城鎮(zhèn)也已開始部署公共充電樁，讓我們?cè)谫徫飼r(shí)也能給汽車充電?，F(xiàn)實(shí)是，至少就長途旅行而言，電動(dòng)車的充電時(shí)間需要能接近內(nèi)燃機(jī)車加油所需的時(shí)間。一個(gè)22kW的家用交流充電樁，充電120分鐘可以提供200公里左右的續(xù)航里程。如果想將這個(gè)時(shí)間縮短到7分鐘，則需要采用350kW的快速直流充電樁。

對(duì)于希望參與這一市場的制造商而言，選擇模塊化的解決方案顯然是必經(jīng)之路。模塊化方案有助于重新利用終端產(chǎn)品的某些部件，比如通用的外殼和冷卻方案，同時(shí)可以根據(jù)目標(biāo)市場的需求來選擇接口、電纜和電子部件等等。

快速直流充電樁的電力電子設(shè)計(jì)方法

在裝有快速充電大功率充電樁（HPC）的充電站，需要有專門的低壓或中壓（LV/MV）電氣基礎(chǔ)設(shè)施來為它們供電。預(yù)計(jì)這將主要安裝在城際交通干道沿線的高速公路服務(wù)站等地方。輸入的交流電源將電能輸送到隔離變壓器，再由二次側(cè)轉(zhuǎn)換為直流電。采用雙二次繞組?/Y變壓器是常用的解決方案。

圖1：整流單元可以通過使用一個(gè)1200V CoolSiC™ MOSFET模塊來輕松實(shí)現(xiàn)

圖2：Easy 2B封裝的半橋模塊（如F3L15MR12W2M1_B69）是Vienna整流的理想選擇

這些移相變壓器與多脈沖整流器相結(jié)合，以串聯(lián)或并聯(lián)的方式運(yùn)行，以減少輸入端的諧波含量。在這種設(shè)計(jì)中，雖然可以通過選擇合適的DC/DC拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)隔離，也需要使用能改善諧波含量的變壓器。這里要做的第一個(gè)設(shè)計(jì)決策是選擇采用通用交流母線方式還是通用直流母線方式。

對(duì)于通用交流母線方式，變壓器的二次側(cè)為多個(gè)AC/DC整流單元供電，后者再為它們自己的DC/DC單元供電。這種做法的優(yōu)勢(shì)在于，可以簡化充電樁的整體設(shè)計(jì)概念。但是，每個(gè)AC/DC整流單元都需要用到濾波器、控制器和傳感器，這會(huì)使得總成本更高。就目前而言，支持面向電網(wǎng)的電能回饋（比如汽車向電網(wǎng)輸電（V2G）和汽車向樓宇輸電（V2B）等）還不是強(qiáng)制性要求。但如果這一要求發(fā)生改變，還會(huì)使成本和復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

通用直流母線方式是指，用一個(gè)AC/DC整流單元輸出DC電壓來為所有DC/DC單元供電。經(jīng)證明，這種方式更為優(yōu)越，因?yàn)樗軠p少器件數(shù)量和成本，同時(shí)還能提高整體效率。當(dāng)V2G和V2B成為強(qiáng)制性要求時(shí)，進(jìn)行升級(jí)改造也會(huì)更簡單。直流母線也更容易與可能部署的其它能源系統(tǒng)（如本地電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等）相整合。最后，當(dāng)前直流充電樁標(biāo)準(zhǔn)也支持集中式充電站使用一個(gè)整流單元作為多個(gè)電池充電器的前端的方案。主要劣勢(shì)在于如此大功率的整流單元體積會(huì)比較大。

支持2-3MW功率的充電站更傾向于通用直流母線方案，用它可以為6-8個(gè)大功率的DC/DC充電單元供電。

AC/DC整流單元介紹

高效率的AC/DC整流電路之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，得益于最新的功率晶體管技術(shù)，高性能的單片機(jī)（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。它們一方面確保從電網(wǎng)提取正弦電流、低諧波畸變（THDi ≤ 5%）及獨(dú)立控制有功和無功，另一方面確保進(jìn)行及時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制。以功率因數(shù)校正方式運(yùn)行可確保消除來自電網(wǎng)的無功功率損耗。最后，如果所選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持，直流側(cè)和交流側(cè)之間的雙向能量流動(dòng)將變得相當(dāng)簡單。

兩電平電壓源變換器（2L-VSC）是應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。它包含一個(gè)由6個(gè)開關(guān)器件（通常為IGBT或SiC MOSFET）組成的陣列，以及一個(gè)作為直流母線、輸出電壓高于輸入電壓的電容器。該整流單元還支持雙向能量流動(dòng)，并能提供完全可調(diào)的功率因數(shù)。其開關(guān)控制方式可以使用脈寬調(diào)制（PWM）或空間矢量調(diào)制（SVM）。

借助1200V CoolSiC™ MOSFET模塊FS45MR12W1M1_B11（圖1），很容易實(shí)現(xiàn)這個(gè)整流單元。模塊包含6個(gè)開關(guān)器件，它們都被整合在同一EasyPACK™ 1B封裝中，該封裝采用低雜感設(shè)計(jì)，并集成NTC溫度傳感器。也可考慮半橋解決方案，比如采用EasyDUAL™ 1B封裝的FF11MR12W1M1_B11。基于這些器件的設(shè)計(jì)可在25-45kHz的開關(guān)頻率下達(dá)到60-100kW的功率。

如果不需要雙向能量流動(dòng)，則Vienna三相三電平整流器將成為流行的方案。它只需要三個(gè)有源開關(guān)，并能實(shí)現(xiàn)正負(fù)升壓功率因數(shù)校正（PFC）。當(dāng)控制電路發(fā)生故障時(shí)，它可以防止輸出端或輸入端發(fā)生短路，甚至能在失去一相輸入的情況下正常工作。采用分立式元件組裝所需付出的工作量可能很大，但在大功率應(yīng)用場合，更常用的是集成式功率模塊。

通過使用F3L15MR12W2M1_B69這種基于Easy 2B封裝的SiC模塊，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)升壓PFC Vienna整流器（圖2）。每個(gè)模塊含有兩個(gè)1200V快速整流二極管、兩個(gè)1600V慢速整流二極管和兩個(gè)1200V、15mΩ SiC MOSFET。三個(gè)這樣Easy 2B封裝的模塊可以很容易地設(shè)計(jì)出緊湊、大電流、低損耗的整流單元（圖3）。

提供可變直流輸出充電電壓

CharIN定義的直流充電樁規(guī)格，支持的輸出電壓必須在200V到920V之間，能提供最大500A的電流，并且能在最高350kW的功率范圍內(nèi)運(yùn)行。有一系列隔離型和非隔離型的DC/DC拓?fù)淇梢杂脕斫鉀Q這個(gè)挑戰(zhàn)。

無論選擇哪種拓?fù)洌加袔讉€(gè)必須滿足的關(guān)鍵要求。實(shí)際尺寸和總體成本是重點(diǎn)要求，而電磁干擾（EMI）方面的規(guī)定也必須遵守。同時(shí)零電壓或零電流開關(guān)（ZVS/ZCS）,最高效率，并支持所需的最大功率。最后，確保輸出端的電壓和電流紋波最小，從而防止電池過熱。

圖3：使用Easy 2B Vienna整流器和全橋DC/DC模塊的60kW高效率設(shè)計(jì)

采用高開關(guān)頻率（HF）隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如全橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器），素以在諧振頻率下?lián)碛凶罡咝识Q。由于一次側(cè)開關(guān)工作在ZVS，二次側(cè)二極管工作在ZCS，所以它們還具有與生俱來的高效性。遺憾的是，支持所需的寬輸出電壓范圍，使得采用這種方式發(fā)展充電樁非常具有挑戰(zhàn)性。

考慮到輸出功率大于100kW，并且隔離可以通過電網(wǎng)側(cè)變壓器來保障，所以可以使用非隔離型升/降壓變換器。在多相配置中，它可以達(dá)到最高98.5%的效率。這種方法還可顯著降低由電壓波動(dòng)引起的電流波動(dòng)。模塊化設(shè)計(jì)使其尺寸和運(yùn)行參數(shù)很容易適應(yīng)各種需求變化，包括輸出，性能或外形的改變。

散熱解決方案

雖然功率變換器如今已能達(dá)到不可思議的效率水平，但當(dāng)快速直流充電樁滿載運(yùn)行時(shí)，僅僅1%的效率降幅，就相當(dāng)于有3.5kW的功率被以熱量的形式耗散掉。單是線纜就能增加每米100W的額外損耗。強(qiáng)制風(fēng)冷已不能滿足大功率充電樁（HPC）的散熱需求，不僅電力電子器件還有端子和線纜都需要借助于液冷散熱。

這里存在的挑戰(zhàn)是，許多液體冷卻劑都有易燃、易降解、易腐蝕和易致毒的問題。水-乙二醇混合液如今已被證明是線纜和端子的常用冷卻液。介電冷卻劑也已被成功開發(fā)出來，其中就有成功應(yīng)用于ITT Cannon大功率充電樁（HPC）中的3M™ Novec™。冷卻系統(tǒng)與獨(dú)立式或集中式的散熱器（取決于充電站的配置）相配合。

結(jié)論

BEV的接受度在某種程度上取決于可用的充電基礎(chǔ)設(shè)施。然有些擔(dān)憂可以通過更好地推廣現(xiàn)有的充電站網(wǎng)絡(luò)來緩解，但是要想緩解人們對(duì)于長途旅行時(shí)的續(xù)航里程的焦慮，還需要投資快速直流充電技術(shù)的大功率充電樁。液冷將是散熱解決方案中必不可少的一個(gè)組成部分，這就需要所選的電氣拓?fù)浜驮骷雀咝?，又能容易與散熱方法對(duì)應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)相集成。包括二極管和開關(guān)管在內(nèi)的碳化硅器件，將構(gòu)成設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分，從整流單元到為實(shí)現(xiàn)電池充電輸出而選擇的DC/DC拓?fù)洌加兴鼈兊拇嬖凇?/p>