电动车充电器改用双向设计
2022-10-7
汽车制造商为了减少碳足迹都在尽一份力，试着采用绿色能源、无燃料的替代品来取代汽油，因此电动汽车 (EV) 运输领域正快速成长。随着纯电动汽车的市占率不断升高，每辆车的电池容量也相应地增加。
图 1：EV 充电基础设施正在从单向拓扑换到双向拓扑（来源：RECOM）
EV 充电器所需的功率水平可能有很大的差异。电动滑板车或微型 EV 的低功率可能需要不到 2 kW 的单相电源。特斯拉 Model 3 或雪佛兰 Volt 等车辆的中等功率可能需要高达 6.6 kW 的单相电源。EV 跑车的高功率应用则需要能够提供高达 22 kW 的三相电源。
随着工作电压和电池容量不断增加，设计人员也在从单向充电系统（功率从电网流向充电器再到 EV 电池组）转到双向系统（功率可以双向流动）。图 1 以紫色显示开始使用双向设计的区域。
为什么要发展双向车载充电器 (OBC)？电动汽车如果配备足够容量的电池就能够充当储能系统 (ESS)，可实现各种车对其他的用例。这些都可以归纳在 V2X（车联网）的类别下，包括：
- V2L（汽车对负荷供电）- 为电动自行车、踏板车和野营设备充电的 DC/DC 或 DC/AC。
- V2G（汽车与电网充放电）- 平衡电网、调节能量和供给 OBC 的 AC/DC/AC。
- V2H（汽车与住宅充放电）- 智能家居的 AC/DC/DC（自给自足：市电 + 太阳能 + 电池 + EV）。
- V2V（汽车之间放电）- 平衡或调节车辆电池的 DC/DC（可级联）。
功率传输可以在任一方向发生，因此 EV 充电基础设施为了 EV 的 OBC 和固定充电站正从单向转为双向设计。两种类型的充电器都必须尽可能高效和经济才能让电池驱动的车辆更具成本效益。
EV 双向充放电系统模块
设计双向 EV 充电器时需要双向 AC/DC 电源；通常是由一个双向功率因数校正 (PFC) 电路和一个双向隔离式 DC/DC 转换器所组成。对于 OBC来说，更加强调的是高功率密度 和最高效率来充分利用可用空间并尽可能地减轻重量。设计人员不能将之前行之有效的标准用来构建双向充电器。传统的升压拓扑无法满足PFC 电路的需求因为不是双向的，而采用图腾柱拓扑可以解决此问题。
为了实现高效率和低噪声，图腾柱 PFC 电路必须保持在连续导通模式 (CCM)，而这需要碳化硅 (SiC) 功率器件。SiC 器件具有非常低的导通电阻 (RDS[on])，能实现低开关和传导损耗因此非常适合大电流开关应用。
如果是 DC/DC转换器的话呢？？ LLC 谐振转换器长期以来一直是大功率、高效充电器中 DC/DC 转换器级的常见选择，然而它也是单向拓扑。双向 CLLC 谐振转换器因此是首选，因为它在充电和放电模式下兼具高效率和宽输出电压范围。
图 2：三相双向 AC/DC 充电器功率级（来源：RECOM）
图 2 为三相充电应用的双向功率级代表。此设计需要 14 个功率晶体管，属于隔离式拓扑，因此功率晶体管与隔离式栅极驱动器 和DC/DC 电源配对。
RECOM 为高功率开关应用提供种类齐全的隔离式 DC/DC 转换器，无论是否有使用硅 IGBT、SiC MOSFET 或 GaN HEMT 等新兴技术都有合适的选择。
电池充电模块：故事的全貌
EV 充电系统包含的远不止上述的 PFC 电路和 CLLC 模块是众所周知的。几千瓦功率转换级随着最新的拓扑结构和半导体技术不断改善，其他电源也必须在效率和价值方面满足 EV 充电器的要求。如图 1 显示的一个完整的设计包含各种电源块，例如配合微控制器、HMI 功能和无线块的隔离式和非隔离式 DC/DC 转换器、辅助电源，以及继电器和接触器的 AC/DC 电源。
其他方面也要纳入考虑，例如充电墙盒和充电站通常安装在过压三级 (OVC III) 的环境之中，由于雷击可能会造成电压骤降、电涌和瞬态电压，因此电源也必须能够承受这些电压上的变化。
除此之外温度的变化也可能非常大，可用的 AC 电源电压可能是三相 480VAC 或 277VAC。所有 AC/DC、DC/DC 转换器和其他模块都必须在此环境中可靠工作。
无论需要高功率还是低功率的设计，RECOM 都能提供一系列低功率 AC/DC 模块、DC/DC 转换器和开关稳压器来满足各种电池充电应用要求，例如 EV 充电器和便携式产品的低功率充电。
RECOM可以提供由三相交流电源供电、经过验证平台设计的高可靠性定制电池充电器、调节器和双向逆变器，额定功率高达30kW或者更高(并联设备)。
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