基于碳化硅的25kW電動(dòng)汽車(chē)直流快充開(kāi)發(fā)指南-結構和規格

隨著(zhù)消費者對電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的需求和訴求持續增強，直流快速充電市場(chǎng)在蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對快速充電基礎設施的需求也在增加。預測未來(lái)五年的年復合增長(cháng)率 (CAGR) 為20%至30%。如果您是在電力電子領(lǐng)域工作的一名應用、產(chǎn)品或設計工程師，遲早會(huì )參與到這新的充電系統的設計中。

這里可能會(huì )出現一個(gè)基本問(wèn)題，特別是如果您是第一次面臨這樣的挑戰。應該如何開(kāi)始設計，從哪里開(kāi)始？關(guān)鍵的設計考慮因素是什么，應該如何解決這些挑戰？安森美(onsemi)幫助設計人員解決這些挑戰，我們將演示開(kāi)發(fā)基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦直流快速充電樁。

開(kāi)發(fā)這種類(lèi)型的大功率電池充電器需要多樣化的技能。安森美專(zhuān)家團隊主導了該設計的項目協(xié)調，承擔了所有硬件開(kāi)發(fā)活動(dòng)，并開(kāi)發(fā)了固件和軟件。該團隊在電源轉換和電機驅動(dòng)的控制和算法方面擁有多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。

我們將談?wù)勚绷鞒潆姌兜拈_(kāi)發(fā)過(guò)程，在每一部分探討不同的主題。我們將聚焦所面臨的關(guān)鍵挑戰、權衡取舍，并展示如何從頭設計、構建和驗證這樣的系統。設計過(guò)程并非一帆風(fēng)順，向前推進(jìn)的最佳方式是快速啟動(dòng)、運行和迭代。

快速直流充電樁 – 我們要構建什么？

在電動(dòng)車(chē)生態(tài)系統中，直流充電樁提供 "快速 "和 "超快 "充電能力，與較慢的交流充電器形成對比。從本質(zhì)上講，電動(dòng)車(chē)充電器將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為適合輸送到電動(dòng)車(chē)電池的直流電。直流充電的電源轉換是在電動(dòng)車(chē)外（"車(chē)外"）進(jìn)行的，然后輸送到車(chē)輛，功率等級從低于50千瓦到大于350千瓦（甚至更高的等級也在開(kāi)發(fā)中）。更高功率的直流充電樁通常以模塊化的方式構建，15至75千瓦（及以上）的功率塊堆疊在一個(gè)柜子里（圖2）。一般來(lái)說(shuō)，直流充電樁的輸出電壓從150 V到1000 V，涵蓋常見(jiàn)的400 V和800 V電動(dòng)車(chē)電池電壓，可針對較高或較低的電壓端進(jìn)行優(yōu)化。

這種電源模塊的結構如下：前端一個(gè)帶有功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器，然后是一個(gè)DC-DC級，提供在電網(wǎng)和負載（電動(dòng)車(chē)的電池）之間的隔離，并調節輸出端電壓和電流（圖2）。該系統也可能是雙向的（特別是在低功率時(shí)），因此拓撲結構和設計應考慮到這一點(diǎn)。

安森美團隊開(kāi)發(fā)的是一種具有雙向充電能力的25千瓦直流充電樁 。該系統應涵蓋廣泛的輸出電壓范圍，能夠為400 V和800 V電池的電動(dòng)車(chē)充電，經(jīng)優(yōu)化還可用于更高的電壓等級。輸入電壓的額定值為歐盟400伏和美國480伏的三相電網(wǎng)。功率級應在500 V至1000 V電壓范圍內提供25千瓦。低于500 V時(shí)，輸出電流將被限制在50 A，降低功率以與直流充電標準如聯(lián)合充電系統(Combined Charging System ，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS) 或CHAdeMO（圖3）的電流曲線(xiàn)吻合。

關(guān)于通信端口，該板將為外部接口（電源塊、充電器系統控制器、車(chē)輛、服務(wù)和維護之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎架構?？偟膩?lái)說(shuō)，設計將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標準中關(guān)于電動(dòng)車(chē)充電的準則。下表概述了系統要求。

開(kāi)發(fā)流程

我們的團隊遵循電源轉換硬件開(kāi)發(fā)流程的邏輯。首先是根據應用要求定義實(shí)際的直流充電樁功率級。我們的案例總結在表格中。這些符合市場(chǎng)的需求，并遵循IEC-68515準則。這些要求有助于團隊了解目標。第一個(gè)可行性研究有助于驗證最初的要求和假設。這些將被整合為系統設計的一部分，包括（在本項目的范圍內）硬件、軟件、熱管理和機械設計、原型和驗證。所有基本的系統變量和解決方案的大多數臨界權衡取舍都發(fā)生在可行性研究期間。這些任務(wù)和子設計是通過(guò)多次迭代進(jìn)行的，其中一個(gè)部分的輸出和假設被反饋到另一個(gè)部分。其中兩個(gè)主要的設計活動(dòng)提供了重要的產(chǎn)出，以推進(jìn)工作：

●   用SPICE模型進(jìn)行電源仿真

●   使用MATLAB和Simulink進(jìn)行控制仿真

電源仿真對于確認工作電壓和電流、損耗、散熱要求及功率和無(wú)源元件的選擇等方面的假設至關(guān)重要。一旦實(shí)施計劃準備就緒，就要進(jìn)行包括功率參數在內的控制仿真，以確認采用該電源設計的控制回路可以有效地工作。在通過(guò)電源和控制仿真證實(shí)設計后，就獲批繪制原理圖、布局PCB和制造原型。一旦有了電路板，就可進(jìn)行硬件啟動(dòng)，功能測試和系統評定。請參考《從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā) 25 kW 電動(dòng)車(chē)直流充電樁》。最有價(jià)值的收獲將出現在我們解決挑戰和問(wèn)題的過(guò)程中。