光耦助力提升電動汽車充電站的安全與效率

近年來，全球交通運輸領(lǐng)域的電動化得到了飛速發(fā)展。到2012年底，全球電動汽車(EV)數(shù)量達(dá)到約18萬輛。據(jù)國際能源署(IEA)的《全球電動汽車展望》報告，這個數(shù)字在2014年底增長了3.7倍，達(dá)到66.5萬多輛。該報告還預(yù)測，到2020年將約有2 000萬輛電動汽車在道路上行使。

隨著電動汽車的快速增長，為延長車輛的行駛里程，人們對充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也隨之“水漲船高”。電動汽車充電站，也稱為電動汽車供應(yīng)設(shè)備(EVSE)，為電動汽車供電，同時提供網(wǎng)絡(luò)互連。在本篇文章當(dāng)中，電動汽車(EV)包括充電式電動汽車或純電動汽車(BEV)、電動公交車和插電式混合動力車輛(PHEV)。圖1展示了一臺工作中的電動汽車充電站。

圖1 這是電動汽車在充電站充電的常見場景

IHS汽車部門預(yù)測;全球電動汽車充電站的安裝量將從2014年的100萬個激增到2020年的1360萬個。據(jù)這個市場研究公司估計：屆時美洲的安裝量將達(dá)到430萬個;歐洲、中東和非洲(EMEA)地區(qū)的安裝量將達(dá)到 410萬個;亞洲(包括日本)的安裝量將達(dá)到530萬個。

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發(fā)充電基礎(chǔ)設(shè)施。例如，中國計劃到2020年建造450萬個電動汽車充電站。據(jù)中國中央政府網(wǎng)站的報道，這將幫助實現(xiàn)到2020年將純電動汽車和插電式混合動力車輛的累計生產(chǎn)量和銷售量提高到500萬臺的目標(biāo)?；?014年年底建成31000個充電站的事實[注5]，要實現(xiàn)建造450萬個充電站的目標(biāo)意味著復(fù)合年增長率(CAGR)需要達(dá)到129%。

充電站標(biāo)準(zhǔn)

在電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施帶來廣闊的市場機遇的同時，也帶來了亟需解決的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)就是充電系統(tǒng)關(guān)鍵部件缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如充電線、保護(hù)機制、額定功率、插頭類型、耦合器配置和通信等。與交流慢速充電相比，這些問題在快速充電系統(tǒng)當(dāng)中更為明顯，這是因為快速充電系統(tǒng)通常安裝在共享的公共或半公共的區(qū)域。顯而易見，系統(tǒng)不兼容會讓共享變得困難。

國際電工委員會(IEC)創(chuàng)立了一整套覆蓋電動汽車充電的標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC 61851-1：2010 EV適用于以高達(dá)1000 V標(biāo)準(zhǔn)交流電和高達(dá)1500 V直流電給電動汽車充電的車載和非車載設(shè)備。IEC 61851-23：2014則規(guī)定了對直流電動汽車充電站的要求。此外，IEC 62196-3：2014規(guī)定了對電動汽車充電耦合器的特定要求。

在全球范圍內(nèi)，快速充電系統(tǒng)目前面臨著相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)——一個是日本工業(yè)界采用的CHAdeMO協(xié)議，另一個是美國和德國汽車制造商,采用的國際自動機工程師學(xué)會(SAE International)推出的J1772聯(lián)合充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(CCS，又稱“Combo”標(biāo)準(zhǔn))。這些標(biāo)準(zhǔn)在額定功率、耦合器設(shè)計、及EVSE和EV之間的通信協(xié)議等方面的規(guī)格參數(shù)各不相同。

不過，也有人指出“沒有標(biāo)準(zhǔn)之爭”，這是因為他們的充電系統(tǒng)設(shè)計將全部功能集成在一起，同時符合CHAdeMO以及SAE標(biāo)準(zhǔn)。其中一個例子是ABB公司的Terra 53充電站。另一個相對較新的競爭性標(biāo)準(zhǔn)是中國近日審批通過的GB / T 20234——修訂版。某些設(shè)計，如特斯拉的超級充電站，使用專門的充電技術(shù)。

交流還是直流充電?

暫且不論標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，目前主要有兩種方法將電力從車輛外部輸送到車輛內(nèi)部的電池：交流(ac)或直流(dc)。電網(wǎng)通過交流輸電，而存儲在車載電池中的則為直流電。因此，需要充電器來做轉(zhuǎn)換工作。

根據(jù)充電器是安裝在車輛內(nèi)部還是外部，可分為車載充電器(OBC)和非車載充電站。車載充電器接受來自家里以及消費者工作場所的主電力供應(yīng)源提供的交流電，并將其轉(zhuǎn)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載充電站當(dāng)中。它將直流電直接注入到車輛內(nèi)部的電池。由于直流充電設(shè)備安裝在固定位置，且沒有大小的限制，它的額定功率可高達(dá)數(shù)百千瓦。

圖2 直流快速充電法將充電時間從小時級縮短至分鐘級

例如，SAE J1772標(biāo)準(zhǔn)將DC Level 2的規(guī)格提高到100 kW。CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)則將50千瓦看成是最佳的輸出功率，同時考慮到了在充電站所在地獲取最大功率的成本，以及電池的充電時間。特斯拉的超級充電站由多個并行工作的Model S充電器組成，可為電池輸送高達(dá)120千瓦的直流電。這個充電速度相當(dāng)于在約30分鐘內(nèi)充滿行駛170英里路程所需的電力。直流快速充電法將充電的時間從小時級縮短至分鐘級。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(yù)估的充電時間，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(yīng)電動汽車駕駛員的不同生活方式都是至關(guān)重要的。例如，電動汽車駕駛員可以在時間充裕的時候，比如呆在家里或工作場所的時候，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間，以便讓電動汽車司機更快地繼續(xù)他們的旅程?？焖俪潆娛浅晒ν瞥瞿軠p少顧客里程焦慮(特別是長途駕駛)的電動汽車的一個關(guān)鍵因素。

充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全隔離

電動汽車充電站的車載電子系統(tǒng)以及電動汽車充電站的所有功能都需要考慮到安全隔離的需求。車載系統(tǒng)包括高壓電池管理系統(tǒng)、dc-dc轉(zhuǎn)換器、電動機驅(qū)動逆變器及車載充電器。對于車載系統(tǒng)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(qū)動、電流/電壓感應(yīng)和數(shù)字通信等。這篇文章中的討論將集中在適用于非車載充電站設(shè)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，一個電動汽車充電站通常包括的功能塊有AC-DC整流器、功率因數(shù)校正(PFC)和DC-DC轉(zhuǎn)換器，以將電壓調(diào)節(jié)到適合于為車輛電池充電的水平。圖3是一個直流充電站的功能模塊設(shè)計簡圖。在高頻隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，電氣隔離功能通過高頻變壓器在dc-dc轉(zhuǎn)換器中提供。此外，多個隔離設(shè)備提供各種信號隔離功能，同時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(zhí)行開關(guān)功能。

圖3　充電控制中心進(jìn)行計算和執(zhí)行控制指令，以實現(xiàn)設(shè)計功能

位于系統(tǒng)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(diào)制(PWM)信號的dc-dc 轉(zhuǎn)換器。充電控制系統(tǒng)根據(jù)電壓、電流的信息和其他數(shù)據(jù)如溫度和用戶輸入等，進(jìn)行計算和執(zhí)行控制指令，從而實現(xiàn)所設(shè)計的功能。數(shù)字通信端口用于EVSE和電動汽車充電控制中心之間的通信，之后接入云端，用于報告充電數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)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，隔離式安全柵沿著多個光耦的耦合點形成的線上構(gòu)建。這一點在確保設(shè)計符合安全監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)方面很重要。除了電氣隔離，在電源轉(zhuǎn)換器中包括EV充電站中電源轉(zhuǎn)換器中需要重點關(guān)注的另外一個重要因素是電力轉(zhuǎn)換效率。本文介紹了如何使用目錄[注17]中的幾個光耦，以實施高效的充電站設(shè)計，并保證安全隔離。

柵極驅(qū)動器

在電動汽車充電站當(dāng)中，MCU改變PWM信號，以打開或關(guān)閉MOSFET或IGBT，并調(diào)整每種狀態(tài)的持續(xù)時間，以根據(jù)電池充電模式來調(diào)節(jié)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。這是通過采用名為“柵極驅(qū)動器”的器件來驅(qū)動MOSFET或IGBT柵極來實現(xiàn)的。

目前，一些柵極驅(qū)動器供應(yīng)商提供一整套的產(chǎn)品組合，包括從基本的柵極驅(qū)動器到功能豐富的集成柵極驅(qū)動器，以滿足高效驅(qū)動和保護(hù)功能的設(shè)計需求。比如，ACPL-W346柵極驅(qū)動器提供2.5 A輸出電流、軌到軌的輸出電壓范圍，以及極短的55-ns傳播延遲時間。這些電氣規(guī)格參數(shù)對于需要保證高電力轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計來說都是必不可少的。這部分封裝在SSO-6小型表面貼裝器件當(dāng)中，按照UL1577標(biāo)準(zhǔn)，每分鐘的額定絕緣電壓為5000 VRMS;按照IEC / EN / DIN EN 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到1140 VPEAK。通過這些標(biāo)準(zhǔn)意味著控制器和用戶的安全將得到保證。

在電動汽車充電站的設(shè)計當(dāng)中，除了選擇最佳的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，選擇先進(jìn)的電力器件和合適的柵極驅(qū)動器可以幫助實現(xiàn)效率目標(biāo)。碳化硅(SiC)的MOSFET迅速出現(xiàn)在商用電力設(shè)備市場上，和傳統(tǒng)的基于硅材料的MOSFET和IGBT相比，它能夠提供幾個好處。其中一個好處是減少了開關(guān)損耗，因為高壓 SiC MOSFET不會發(fā)生IGBT當(dāng)中出現(xiàn)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，可以實現(xiàn)較高的切換頻率，從而提高系統(tǒng)的效率。

圖4　通過Avago柵級驅(qū)動和Cree SiC MosfETs提升效率