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(yùn)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(shù)量達(dá)到約18萬(wàn)輛。據(jù)國(guó)際能源署(IEA)的《全球電動(dòng)汽車(chē)展望》報(bào)告，這個(gè)數(shù)字在2014年底增長(zhǎng)了3.7倍，達(dá)到66.5萬(wàn)多輛。該報(bào)告還預(yù)測(cè)，到2020年將約有2 000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)在道路上行使。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速增長(zhǎng)，為延長(zhǎng)車(chē)輛的行駛里程，人們對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)設(shè)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(dāng)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(tái)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(yù)測(cè);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(jù)這個(gè)市場(chǎng)研究公司估計(jì)：屆時(shí)美洲的安裝量將達(dá)到430萬(wàn)個(gè);歐洲、中東和非洲(EMEA)地區(qū)的安裝量將達(dá)到 410萬(wàn)個(gè);亞洲(包括日本)的安裝量將達(dá)到530萬(wàn)個(gè)。

各國(guó)政府如德國(guó)、中國(guó)和美國(guó)都正在逐步將更多的資金用于開(kāi)發(fā)充電基礎(chǔ)設(shè)施。例如，中國(guó)計(jì)劃到2020年建造450萬(wàn)個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站。據(jù)中國(guó)中央政府網(wǎng)站的報(bào)道，這將幫助實(shí)現(xiàn)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(jì)生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量提高到500萬(wàn)臺(tái)的目標(biāo)?；?014年年底建成31000個(gè)充電站的事實(shí)[注5]，要實(shí)現(xiàn)建造450萬(wàn)個(gè)充電站的目標(biāo)意味著復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)需要達(dá)到129%。

充電站標(biāo)準(zhǔn)

在電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇的同時(shí)，也帶來(lái)了亟需解決的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中一個(gè)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(xiàn)、保護(hù)機(jī)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(tǒng)當(dāng)中更為明顯，這是因?yàn)榭焖俪潆娤到y(tǒng)通常安裝在共享的公共或半公共的區(qū)域。顯而易見(jiàn)，系統(tǒng)不兼容會(huì)讓共享變得困難。

國(guó)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(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(dòng)汽車(chē)充電的車(chē)載和非車(chē)載設(shè)備。IEC 61851-23：2014則規(guī)定了對(duì)直流電動(dòng)汽車(chē)充電站的要求。此外，IEC 62196-3：2014規(guī)定了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)——一個(gè)是日本工業(yè)界采用的CHAdeMO協(xié)議，另一個(gè)是美國(guó)和德國(guó)汽車(chē)制造商,采用的國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)推出的J1772聯(lián)合充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(CCS，又稱(chēng)“Combo”標(biāo)準(zhǔn))。這些標(biāo)準(zhǔn)在額定功率、耦合器設(shè)計(jì)、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(guò)，也有人指出“沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)”，這是因?yàn)樗麄兊某潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)將全部功能集成在一起，同時(shí)符合CHAdeMO以及SAE標(biāo)準(zhǔn)。其中一個(gè)例子是ABB公司的Terra 53充電站。另一個(gè)相對(duì)較新的競(jìng)爭(zhēng)性標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)近日審批通過(guò)的GB / T 20234——修訂版。某些設(shè)計(jì)，如特斯拉的超級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的復(fù)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(nèi)部的電池：交流(ac)或直流(dc)。電網(wǎng)通過(guò)交流輸電，而存儲(chǔ)在車(chē)載電池中的則為直流電。因此，需要充電器來(lái)做轉(zhuǎn)換工作。

根據(jù)充電器是安裝在車(chē)輛內(nèi)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(fèi)者工作場(chǎng)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?yàn)檫@種充電器允許的額定功率受到限制——這是因?yàn)榭稍试S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(dāng)中。它將直流電直接注入到車(chē)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(méi)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(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短至分鐘級(jí)

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(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(jí)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(dá)120千瓦的直流電。這個(gè)充電速度相當(dāng)于在約30分鐘內(nèi)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(jí)縮短至分鐘級(jí)。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(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(duì)于適應(yīng)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(jī)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(zhǎng)途駕駛)的電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全隔離

電動(dòng)汽車(chē)充電站的車(chē)載電子系統(tǒng)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(tǒng)包括高壓電池管理系統(tǒng)、dc-dc轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器及車(chē)載充電器。對(duì)于車(chē)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(dòng)、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(chē)載充電站設(shè)計(jì)的隔離解決方案，通常工業(yè)級(jí)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(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(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(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(guò)高頻變壓器在dc-dc轉(zhuǎn)換器中提供。此外，多個(gè)隔離設(shè)備提供各種信號(hào)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(zhí)行開(kāi)關(guān)功能。

圖3　充電控制中心進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行控制指令，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(hào)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(hù)輸入等，進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行控制指令，從而實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。數(shù)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(bào)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(gè)光耦的耦合點(diǎn)形成的線(xiàn)上構(gòu)建。這一點(diǎn)在確保設(shè)計(jì)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(diǎn)關(guān)注的另外一個(gè)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(gè)光耦，以實(shí)施高效的充電站設(shè)計(jì)，并保證安全隔離。

柵極驅(qū)動(dòng)器

在電動(dòng)汽車(chē)充電站當(dāng)中，MCU改變PWM信號(hào)，以打開(kāi)或關(guān)閉MOSFET或IGBT，并調(diào)整每種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以根據(jù)電池充電模式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓/電流。從MCU 輸出的PWM信號(hào)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(qū)動(dòng)器”的器件來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT柵極來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

目前，一些柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器到功能豐富的集成柵極驅(qū)動(dòng)器，以滿(mǎn)足高效驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的設(shè)計(jì)需求。比如，ACPL-W346柵極驅(qū)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(guī)格參數(shù)對(duì)于需要保證高電力轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)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(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(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)意味著控制器和用戶(hù)的安全將得到保證。

在電動(dòng)汽車(chē)充電站的設(shè)計(jì)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(dòng)器可以幫助實(shí)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(chǎng)上，和傳統(tǒng)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?yàn)楦邏?SiC MOSFET不會(huì)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(shí)現(xiàn)較高的切換頻率，從而提高系統(tǒng)的效率。

圖4　通過(guò)Avago柵級(jí)驅(qū)動(dòng)和Cree SiC MosfETs提升效率