光耦助力提升電動(dòng)汽車(chē)充電站的安全與效率

近年來(lái)，全球交通運輸領(lǐng)域的電動(dòng)化得到了飛速發(fā)展。到2012年底，全球電動(dòng)汽車(chē)(EV)數量達到約18萬(wàn)輛。據國際能源署(IEA)的《全球電動(dòng)汽車(chē)展望》報告，這個(gè)數字在2014年底增長(cháng)了3.7倍，達到66.5萬(wàn)多輛。該報告還預測，到2020年將約有2 000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)在道路上行使。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的快速增長(cháng)，為延長(cháng)車(chē)輛的行駛里程，人們對充電基礎設施的需求也隨之“水漲船高”。電動(dòng)汽車(chē)充電站，也稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)供應設備(EVSE)，為電動(dòng)汽車(chē)供電，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò )互連。在本篇文章當中，電動(dòng)汽車(chē)(EV)包括充電式電動(dòng)汽車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)、電動(dòng)公交車(chē)和插電式混合動(dòng)力車(chē)輛(PHEV)。圖1展示了一臺工作中的電動(dòng)汽車(chē)充電站。

圖1 這是電動(dòng)汽車(chē)在充電站充電的常見(jiàn)場(chǎng)景

IHS汽車(chē)部門(mén)預測;全球電動(dòng)汽車(chē)充電站的安裝量將從2014年的100萬(wàn)個(gè)激增到2020年的1360萬(wàn)個(gè)。據這個(gè)市場(chǎng)研究公司估計：屆時(shí)美洲的安裝量將達到430萬(wàn)個(gè);歐洲、中東和非洲(EMEA)地區的安裝量將達到 410萬(wàn)個(gè);亞洲(包括日本)的安裝量將達到530萬(wàn)個(gè)。

各國政府如德國、中國和美國都正在逐步將更多的資金用于開(kāi)發(fā)充電基礎設施。例如，中國計劃到2020年建造450萬(wàn)個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站。據中國中央政府網(wǎng)站的報道，這將幫助實(shí)現到2020年將純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力車(chē)輛的累計生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量提高到500萬(wàn)臺的目標?；?014年年底建成31000個(gè)充電站的事實(shí)[注5]，要實(shí)現建造450萬(wàn)個(gè)充電站的目標意味著(zhù)復合年增長(cháng)率(CAGR)需要達到129%。

充電站標準

在電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)機遇的同時(shí)，也帶來(lái)了亟需解決的嚴峻挑戰。其中一個(gè)挑戰就是充電系統關(guān)鍵部件缺乏統一的標準，比如充電線(xiàn)、保護機制、額定功率、插頭類(lèi)型、耦合器配置和通信等。與交流慢速充電相比，這些問(wèn)題在快速充電系統當中更為明顯，這是因為快速充電系統通常安裝在共享的公共或半公共的區域。顯而易見(jiàn)，系統不兼容會(huì )讓共享變得困難。

國際電工委員會(huì )(IEC)創(chuàng )立了一整套覆蓋電動(dòng)汽車(chē)充電的標準。例如，IEC 61851-1：2010 EV適用于以高達1000 V標準交流電和高達1500 V直流電給電動(dòng)汽車(chē)充電的車(chē)載和非車(chē)載設備。IEC 61851-23：2014則規定了對直流電動(dòng)汽車(chē)充電站的要求。此外，IEC 62196-3：2014規定了對電動(dòng)汽車(chē)充電耦合器的特定要求。

在全球范圍內，快速充電系統目前面臨著(zhù)相互競爭的標準——一個(gè)是日本工業(yè)界采用的CHAdeMO協(xié)議，另一個(gè)是美國和德國汽車(chē)制造商,采用的國際自動(dòng)機工程師學(xué)會(huì )(SAE International)推出的J1772聯(lián)合充電系統標準(CCS，又稱(chēng)“Combo”標準)。這些標準在額定功率、耦合器設計、及EVSE和EV之間的通信協(xié)議等方面的規格參數各不相同。

不過(guò)，也有人指出“沒(méi)有標準之爭”，這是因為他們的充電系統設計將全部功能集成在一起，同時(shí)符合CHAdeMO以及SAE標準。其中一個(gè)例子是ABB公司的Terra 53充電站。另一個(gè)相對較新的競爭性標準是中國近日審批通過(guò)的GB / T 20234——修訂版。某些設計，如特斯拉的超級充電站，使用專(zhuān)門(mén)的充電技術(shù)。

交流還是直流充電?

暫且不論標準的復雜性，目前主要有兩種方法將電力從車(chē)輛外部輸送到車(chē)輛內部的電池：交流(ac)或直流(dc)。電網(wǎng)通過(guò)交流輸電，而存儲在車(chē)載電池中的則為直流電。因此，需要充電器來(lái)做轉換工作。

根據充電器是安裝在車(chē)輛內部還是外部，可分為車(chē)載充電器(OBC)和非車(chē)載充電站。車(chē)載充電器接受來(lái)自家里以及消費者工作場(chǎng)所的主電力供應源提供的交流電，并將其轉換為直流電以供電池充電。通常情況下，交流充電速度緩慢，這是因為這種充電器允許的額定功率受到限制——這是因為可允許的重量、空間和成本所造成的。

直流充電法通常用于非車(chē)載充電站當中。它將直流電直接注入到車(chē)輛內部的電池。由于直流充電設備安裝在固定位置，且沒(méi)有大小的限制，它的額定功率可高達數百千瓦。

圖2 直流快速充電法將充電時(shí)間從小時(shí)級縮短至分鐘級

例如，SAE J1772標準將DC Level 2的規格提高到100 kW。CHAdeMO標準則將50千瓦看成是最佳的輸出功率，同時(shí)考慮到了在充電站所在地獲取最大功率的成本，以及電池的充電時(shí)間。特斯拉的超級充電站由多個(gè)并行工作的Model S充電器組成，可為電池輸送高達120千瓦的直流電。這個(gè)充電速度相當于在約30分鐘內充滿(mǎn)行駛170英里路程所需的電力。直流快速充電法將充電的時(shí)間從小時(shí)級縮短至分鐘級。圖2展示了交流和直流兩種充電方式。下表則列出了在交流和直流充電各自允許的最大充電功率和預估的充電時(shí)間，以供大家參考。

交流電(ac)和直流電(dc)充電器的充電速度各不相同，兩者對于適應電動(dòng)汽車(chē)駕駛員的不同生活方式都是至關(guān)重要的。例如，電動(dòng)汽車(chē)駕駛員可以在時(shí)間充裕的時(shí)候，比如呆在家里或工作場(chǎng)所的時(shí)候，使用交流電充電。相比之下，直流快速充電可以大大減少充電時(shí)間，以便讓電動(dòng)汽車(chē)司機更快地繼續他們的旅程?？焖俪潆娛浅晒ν瞥瞿軠p少顧客里程焦慮(特別是長(cháng)途駕駛)的電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

充電站拓撲結構和安全隔離

電動(dòng)汽車(chē)充電站的車(chē)載電子系統以及電動(dòng)汽車(chē)充電站的所有功能都需要考慮到安全隔離的需求。車(chē)載系統包括高壓電池管理系統、dc-dc轉換器、電動(dòng)機驅動(dòng)逆變器及車(chē)載充電器。對于車(chē)載系統而言，光耦合器必須在隔離功能方面具有更好的可靠性和安全性，包括柵極驅動(dòng)、電流/電壓感應和數字通信等。這篇文章中的討論將集中在適用于非車(chē)載充電站設計的隔離解決方案，通常工業(yè)級器件就已經(jīng)足夠了。

一般而言，一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站通常包括的功能塊有AC-DC整流器、功率因數校正(PFC)和DC-DC轉換器，以將電壓調節到適合于為車(chē)輛電池充電的水平。圖3是一個(gè)直流充電站的功能模塊設計簡(jiǎn)圖。在高頻隔離的拓撲結構當中，電氣隔離功能通過(guò)高頻變壓器在dc-dc轉換器中提供。此外，多個(gè)隔離設備提供各種信號隔離功能，同時(shí)在高電壓電和低壓控制器之間保持安全的隔離。在所有的這些部分，MOSFET和IGBT功率器件用于執行開(kāi)關(guān)功能。

圖3　充電控制中心進(jìn)行計算和執行控制指令，以實(shí)現設計功能

位于系統中心的是在微控制單元(MCU)，控制功率因素矯正(PFC)和帶有脈寬調制(PWM)信號的dc-dc 轉換器。充電控制系統根據電壓、電流的信息和其他數據如溫度和用戶(hù)輸入等，進(jìn)行計算和執行控制指令，從而實(shí)現所設計的功能。數字通信端口用于EVSE和電動(dòng)汽車(chē)充電控制中心之間的通信，之后接入云端，用于報告充電數據、遠程監控和診斷等。

光耦合器提供電流隔離和高效充電功能

如圖3所示，隔離式安全柵沿著(zhù)多個(gè)光耦的耦合點(diǎn)形成的線(xiàn)上構建。這一點(diǎn)在確保設計符合安全監管標準方面很重要。除了電氣隔離，在電源轉換器中包括EV充電站中電源轉換器中需要重點(diǎn)關(guān)注的另外一個(gè)重要因素是電力轉換效率。本文介紹了如何使用目錄[注17]中的幾個(gè)光耦，以實(shí)施高效的充電站設計，并保證安全隔離。

柵極驅動(dòng)器

在電動(dòng)汽車(chē)充電站當中，MCU改變PWM信號，以打開(kāi)或關(guān)閉MOSFET或IGBT，并調整每種狀態(tài)的持續時(shí)間，以根據電池充電模式來(lái)調節輸出電壓/電流。從MCU 輸出的PWM信號通常需要放大，以增加輸出電流，并以希望的頻率切換電子器件。這是通過(guò)采用名為“柵極驅動(dòng)器”的器件來(lái)驅動(dòng)MOSFET或IGBT柵極來(lái)實(shí)現的。

目前，一些柵極驅動(dòng)器供應商提供一整套的產(chǎn)品組合，包括從基本的柵極驅動(dòng)器到功能豐富的集成柵極驅動(dòng)器，以滿(mǎn)足高效驅動(dòng)和保護功能的設計需求。比如，ACPL-W346柵極驅動(dòng)器提供2.5 A輸出電流、軌到軌的輸出電壓范圍，以及極短的55-ns傳播延遲時(shí)間。這些電氣規格參數對于需要保證高電力轉換效率的設計來(lái)說(shuō)都是必不可少的。這部分封裝在SSO-6小型表面貼裝器件當中，按照UL1577標準，每分鐘的額定絕緣電壓為5000 VRMS;按照IEC / EN / DIN EN 60747-5-5標準可以達到1140 VPEAK。通過(guò)這些標準意味著(zhù)控制器和用戶(hù)的安全將得到保證。

在電動(dòng)汽車(chē)充電站的設計當中，除了選擇最佳的電源轉換拓撲結構之外，選擇先進(jìn)的電力器件和合適的柵極驅動(dòng)器可以幫助實(shí)現效率目標。碳化硅(SiC)的MOSFET迅速出現在商用電力設備市場(chǎng)上，和傳統的基于硅材料的MOSFET和IGBT相比，它能夠提供幾個(gè)好處。其中一個(gè)好處是減少了開(kāi)關(guān)損耗，因為高壓 SiC MOSFET不會(huì )發(fā)生IGBT當中出現的拖尾電流損耗。此外，SiC MOSFET的電流密度高，晶元尺寸小，和硅MOSFET相比，電容更低。因此，可以實(shí)現較高的切換頻率，從而提高系統的效率。

圖4　通過(guò)Avago柵級驅動(dòng)和Cree SiC MosfETs提升效率