【導讀】快速直流充電市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。伴隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)（EV）采用的加速，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。我應該如何開(kāi)始，從哪里開(kāi)始？關(guān)鍵的設計考慮因素是什么，我應該如何解決它們？
安森美(onsemi)的EMEA系統工程團隊正準備幫助設計人員解決這樣的挑戰，我們將演示設計和開(kāi)發(fā)基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦快速直流充電樁。
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。位于斯洛伐克Piestany的安森美電源系統科團隊，領(lǐng)導該設計的項目協(xié)調，并承擔所有與硬件開(kāi)發(fā)有關(guān)的活動(dòng)。電源系統應用經(jīng)理Karol Rendek和高級電源系統應用工程師Stefan Kosterec擔此重任。他們兩人都是經(jīng)驗豐富的電力電子設計工程師，精通高功率轉換應用。
位于慕尼黑的電機和電源轉換控制團隊進(jìn)行固件和軟件開(kāi)發(fā)，該團隊由Daniel Pruna任主管，Dionisis Voglitsis和Rachit Kumar任應用工程師。該團隊在電源轉換器和電機驅動(dòng)的控制和算法開(kāi)發(fā)方面擁有多年的經(jīng)驗。
在這系列文章中，我們將談?wù)勚绷鞒潆娖鞯拈_(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、權衡和妥協(xié)，并展示如何從頭設計、構建和驗證這樣的系統。我們知道設計之路并非一帆風(fēng)順，向前邁進(jìn)的最佳方式是快速啟動(dòng)、運行和迭代。在第一部分中，我們將描述快速電動(dòng)車(chē)充電器的結構，并定義其關(guān)鍵電氣規格。
快速直流充電器 – 我們在構建什么？
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1）。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。充電樁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（還是圖1）。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)。
圖1. 快速直流充電樁電源模塊概覽
安森美的團隊正在開(kāi)發(fā)一種具有雙向能力的25千瓦直流充電器。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，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2）的電流曲線(xiàn)相一致。
圖2. 25 kW 直流充電樁功率級功率和電流曲線(xiàn)。
低于500 V時(shí)電流限值在50 A
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。
表：25 kW快速直流充電樁要求
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。這項工作從定義實(shí)際的直流充電樁功率級開(kāi)始。這是基于應用的要求，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他們需要努力的目標。
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妥協(xié)和權衡都發(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、冷卻要求以及功率和無(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可以有效地執行控制回路。
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，硬件啟動(dòng)，就可進(jìn)行功能測試和系統評定。
這是我們將在本系列中講解的設計過(guò)程的簡(jiǎn)化摘要。從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)一個(gè)25千瓦的電動(dòng)車(chē)直流充電樁需要的不僅僅是這些，當我們解決在這過(guò)程中遇到的挑戰和問(wèn)題時(shí)，將會(huì )獲得最有價(jià)值的收獲。
將探討什么？
在本系列文章的后續部分，我們將進(jìn)一步專(zhuān)注于一些設計和驗證階段。將解決以下主題：
● 解決方案概述
● 三相PFC整流級
● 雙有源全橋DC-DC級
● 控制算法、調制方案和反饋
● 用于SiC電源模塊的門(mén)極驅動(dòng)系統
● 用于800 V總線(xiàn)的輔助電源單元
● 熱管理
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