【導(dǎo)讀】快速直流充電市場正在蓬勃發(fā)展。伴隨著電動(dòng)車（EV）采用的加速，對(duì)快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也在增加。預(yù)測未來五年的年復(fù)合增長率 (CAGR) 為20%至30%。如果您是在電力電子領(lǐng)域工作的一名應(yīng)用、產(chǎn)品或設(shè)計(jì)工程師，遲早會(huì)參與到這新的充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。
這里可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)基本問題，特別是如果您是第一次面臨這樣的挑戰(zhàn)。我應(yīng)該如何開始，從哪里開始？關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素是什么，我應(yīng)該如何解決它們？
安森美(onsemi)的EMEA系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備幫助設(shè)計(jì)人員解決這樣的挑戰(zhàn)，我們將演示設(shè)計(jì)和開發(fā)基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦快速直流充電樁。
開發(fā)這種類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(tǒng)科團(tuán)隊(duì)，領(lǐng)導(dǎo)該設(shè)計(jì)的項(xiàng)目協(xié)調(diào)，并承擔(dān)所有與硬件開發(fā)有關(guān)的活動(dòng)。電源系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理Karol Rendek和高級(jí)電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師Stefan Kosterec擔(dān)此重任。他們兩人都是經(jīng)驗(yàn)豐富的電力電子設(shè)計(jì)工程師，精通高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
位于慕尼黑的電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換控制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行固件和軟件開發(fā)，該團(tuán)隊(duì)由Daniel Pruna任主管，Dionisis Voglitsis和Rachit Kumar任應(yīng)用工程師。該團(tuán)隊(duì)在電源轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制和算法開發(fā)方面擁有多年的經(jīng)驗(yàn)。
在這系列文章中，我們將談?wù)勚绷鞒潆娖鞯拈_發(fā)過程，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(zhàn)、權(quán)衡和妥協(xié)，并展示如何從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建和驗(yàn)證這樣的系統(tǒng)。我們知道設(shè)計(jì)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(yùn)行和迭代。在第一部分中，我們將描述快速電動(dòng)車充電器的結(jié)構(gòu)，并定義其關(guān)鍵電氣規(guī)格。
快速直流充電器 – 我們?cè)跇?gòu)建什么？
在電動(dòng)車生態(tài)系統(tǒng)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(duì)比。從本質(zhì)上講，電動(dòng)車充電器將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為適合輸送到電動(dòng)車電池的直流電。直流充電的電源轉(zhuǎn)換是在電動(dòng)車外（"車外"）進(jìn)行的，然后輸送到車輛，功率等級(jí)從低于50千瓦到大于350千瓦（甚至更高的等級(jí)也在開發(fā)中）。
更高功率的直流充電樁通常以模塊化的方式構(gòu)建，15至75千瓦（及以上）的功率塊堆疊在一個(gè)柜子里（圖1）。一般來說，直流充電樁的輸出電壓從150 V到1000 V，涵蓋常見的400 V和800 V電動(dòng)車電池電壓。充電樁可針對(duì)較高或較低的電壓端進(jìn)行優(yōu)化。
這種電源模塊的結(jié)構(gòu)如下：前端一個(gè)帶有功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，然后是一個(gè)DC-DC級(jí)，提供在電網(wǎng)和負(fù)載（電動(dòng)車的電池）之間的隔離，并調(diào)節(jié)輸出端電壓和電流（還是圖1）。該系統(tǒng)也可能是雙向的（特別是在低功率時(shí)），因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)應(yīng)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(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種具有雙向能力的25千瓦直流充電器。該系統(tǒng)應(yīng)涵蓋廣泛的輸出電壓范圍，能夠?yàn)?00 V和800 V電池的電動(dòng)車充電，經(jīng)優(yōu)化還可用于更高的電壓等級(jí)。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(jí)應(yīng)在500 V至1000 V電壓范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)如聯(lián)合充電系統(tǒng)(Combined Charging System ，簡稱CCS) 或CHAdeMO（圖2）的電流曲線相一致。
圖2. 25 kW 直流充電樁功率級(jí)功率和電流曲線。
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(tǒng)控制器、車輛、服務(wù)和維護(hù)之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎(chǔ)架構(gòu)。總的來說，設(shè)計(jì)將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電動(dòng)車充電的準(zhǔn)則。下表概述了系統(tǒng)要求。
表：25 kW快速直流充電樁要求
開發(fā)流程
我們的團(tuán)隊(duì)遵循電源轉(zhuǎn)換硬件開發(fā)流程的邏輯。這項(xiàng)工作從定義實(shí)際的直流充電樁功率級(jí)開始。這是基于應(yīng)用的要求，我們的案例總結(jié)在表格中。這些符合市場的需求，并遵循IEC-68515準(zhǔn)則。這些要求有助于團(tuán)隊(duì)了解他們需要努力的目標(biāo)。
第一個(gè)可行性研究有助于驗(yàn)證最初的要求和假設(shè)。這些將被整合為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，包括（在本項(xiàng)目的范圍內(nèi)）硬件、軟件、熱管理和機(jī)械設(shè)計(jì)、原型和驗(yàn)證。所有基本的系統(tǒng)變量和解決方案的大多數(shù)臨界妥協(xié)和權(quán)衡都發(fā)生在可行性研究期間。
這些任務(wù)和子設(shè)計(jì)是通過多次迭代進(jìn)行的，其中一個(gè)部分的輸出和假設(shè)被反饋到另一個(gè)部分。其中兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)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(duì)于確認(rèn)工作電壓和電流、損耗、冷卻要求以及功率和無源元件的選擇等方面的假設(shè)至關(guān)重要。一旦實(shí)施計(jì)劃準(zhǔn)備就緒，就要進(jìn)行包括功率參數(shù)在內(nèi)的控制仿真，以確認(rèn)采用該電源設(shè)計(jì)可以有效地執(zhí)行控制回路。
在通過電源和控制仿真證實(shí)設(shè)計(jì)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(tǒng)評(píng)定。
這是我們將在本系列中講解的設(shè)計(jì)過程的簡化摘要。從頭開始開發(fā)一個(gè)25千瓦的電動(dòng)車直流充電樁需要的不僅僅是這些，當(dāng)我們解決在這過程中遇到的挑戰(zhàn)和問題時(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(xù)部分，我們將進(jìn)一步專注于一些設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段。將解決以下主題：
● 解決方案概述
● 三相PFC整流級(jí)
● 雙有源全橋DC-DC級(jí)
● 控制算法、調(diào)制方案和反饋
● 用于SiC電源模塊的門極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
● 用于800 V總線的輔助電源單元
● 熱管理
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