大功率直流充電設計標準

國家大功率充電標準“Chaoji”技術標準設計目標是未來可實現電動汽車充電5分鐘行駛400公里。

“Chaoji”技術標準主要設計參數如下：

最大電壓：目前1000V (可擴展到1500V);

最大電流：帶冷卻系統(tǒng) 500A(可擴展到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

大功率直流快充系統(tǒng)一般由以下幾部分構成：

三相有源整流前端完成AC-DC轉換;

功率因數校正(PFC);

具有隔離功能的DC-DC轉化器，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圖所示，在實際設計的過程中，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：

功率拓撲，包括PFC和DC-DC的電源拓撲;

開關調制模式;

開關頻率及損耗;

整機熱管理;

輔助電源設計;

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0.99的功率因數和低于7%的總諧波失真。

3相6開關有源整流與T-NPC或I-NPC等3級PFC維也納拓撲結構相比，高效而且可以實現雙向輸出，元件數量也少。

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

三相6開關拓撲結構，帶有功率因數校正(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的外部漏電感，以實現零電壓開關(ZVS)。

雙有源橋(DAB)DC-DC級

圖片來自：onsemi

雙有源橋(DAB)在實現雙向運行的基礎之上，利用移相調制可以實現在200 V至1000 V的輸出電壓時，峰值的能效達到98%。開關頻率設定為100 kHz，將開關損耗、磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

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

半導體產業(yè)網消息：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注點。在設計此類系統(tǒng)時，必須考慮器件選型、電壓范圍和負載要求、運行成本、溫度、堅固性和環(huán)境保護，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撲進行優(yōu)化。

本文旨在探討數種考慮用于快速充電機系統(tǒng)的功率變換器拓撲和一些可利用的工具/資源，以及包含多項關鍵比較的匯總表格。

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，對交流電網的功率需求可從 2.2 kW 一路升到 1 MW。此類電網系統(tǒng)通常設計為 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 電源塊，可根據充電位置和車輛類型進行擴展，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，在設計時需要分析直流快速充電應用的實用性。首先，此類充電機安裝在需要寬電池電壓范圍和寬負載曲線的公共區(qū)域。例如，目前道路上的大多數電動汽車的電池電壓均在 350 V - 450 V 范圍內，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計時要滿足寬負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，因此此時的需求轉變?yōu)轭A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重要。舉例來說，對于一個 360 kW 充電站，假設充電站每天運營 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。

下面我們總結了快速充電機系統(tǒng)的系統(tǒng)目標：

寬電池電壓范圍(350 V - 800 V)

寬負載曲線(單輛車/多輛車)和電池緩沖器(用于高性能車輛)

針對滿負載充電進行優(yōu)化

實現雙向性，滿足回饋電網應用的需求

靈活，可適應新行業(yè)趨勢/標準

安裝占地面積小

降低運營成本，實現盈利

堅固耐用，工作溫度范圍廣

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

二、設計方案

數字控制核心算法

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

PFC和LLC的應用

PFC(功率因數校正)和LLC(半橋變換器)是開關電源設計中的兩個重要環(huán)節(jié)。在本文中，我們將介紹一種采用TMS320F28035芯片實現PFC和LLC的設計方案。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計方案

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

多乘用電動汽車主已經習慣了這種操作，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，只是提供了一個標準充電接口。

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行電力變換，才能實現充電。

交流充電樁內部比較簡單，基本功能就是將電網交流電引出到方便電動汽車充電的位置，并提供一個標準的充電接口，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準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)標準《QCT895-2011電動汽車用傳導式車載充電機》中規(guī)范了車載充電機的組成結構。

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。

標準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化成適合動力電池系統(tǒng)能夠接受的適當電壓的直流電。

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域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kw等，客車領域一般是40kw和80kw等，按冷卻方式可分為水冷型和風冷型。

隨著技術的進步和產品設計的升級，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品中，OBC被同DC/DC變換器或PDU等整合在一起，形成“黑箱式”結構，這對產品功率密度、熱管理性能等提出了更高的要求。