如何讓電動汽車充電像加注燃油那么方便快捷？

有數(shù)據(jù)顯示，2019年全球新能源乘用車銷量為221萬輛，預計到2025年，這個數(shù)據(jù)將達到1150萬輛，年均復合增長率為32%。在中國，2013年全國新能源汽車銷量近1.76萬輛，而2020年則達到了136.7萬輛，7年時間增長了70倍。按照中國《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年新能源新車銷量將占到新車總銷量的20%，而到2030年這個比例要達到40%。

在新能源車中，純電動汽車占據(jù)著相當大的比例，為了支撐這一高速增長的市場，配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)當然不能拖后腿。如何讓電動汽車的充電，能夠像人們習以為常的內(nèi)燃機汽車加注燃油那么方便、快捷，也就成了整個新能源車行業(yè)心心念的一個話題。

充電樁的架構(gòu)和分類

想解決這個難題，就先得搞明白電動汽車是如何充電的。大家都知道，充電汽車通常是通過充電樁或充電站進行充電的，這種充電基礎(chǔ)設(shè)施也被稱為電動車輛服務(wù)設(shè)備（EVSE）。充電的方式可以分成兩種類型：交流充電和直流充電。 交流充電是將電網(wǎng)中的交流電連接到車輛內(nèi)部的車載充電器（OBC），由OBC將交流電通過內(nèi)置的AC/DC和DC/DC電路轉(zhuǎn)換為高壓直流電，為車輛動力電池包充電。而直流充電則需要在充電樁內(nèi)完成對電網(wǎng)中交流電的AC/DC和DC/DC功率轉(zhuǎn)換，然后繞過（Bypass）車輛內(nèi)部的OBC直接連接到電池進行充電，由于這些轉(zhuǎn)換器無需安裝在車輛內(nèi)部，因此可以設(shè)計成高功率電平，從而實現(xiàn)更快速地充電。

這兩類充電方式根據(jù)充電功率的大小，又被分為三級，級別越高意味著充電功率越大，充電速度越快。具體來講：

1第1級：通常是指從民用住宅中取電的交流充電，供電電壓為120VAC/230VAC，充電電流在12A至16A，充滿一個24kWH的電池大概需要12-17小時。 2第2級：主要的應(yīng)用場景是通過布設(shè)在商業(yè)設(shè)施中（如購物中心）的交流充電樁，以多相240VAC的交流電進行充電，充電電流可達15A至80A，充滿一個24kWH的電池需要8個小時左右。 3第3級：與前兩級的交流充電不同，第3級EVSE使用的是直流充電，這種方案可以從直流充電樁直接輸出300V至750V的高壓直流電，以高達400A的電流向車載動力電池充電，由于充電功率大幅提升，所以充滿24kWH容量的電池用不到30分鐘，這也就是大家津津樂道的所謂電動汽車“快充”技術(shù)。

圖2：EVSE三種充電等級之間的比較（圖源：TI）

今天，圍繞著如何實現(xiàn)更快速地充電，如何改善電動汽車用戶的體驗，人們正在不斷探索各種技術(shù)路徑，在其中三級快速直流充電樁的設(shè)計就是其中的一個焦點。

快速直流充電的關(guān)鍵

那么設(shè)計開發(fā)一個快充直流充電樁，需要哪些關(guān)鍵技術(shù)呢？我們一起來梳理一下。

圖4：典型的三相交流輸入直流充電樁拓撲（圖源：TI）

圖4是一個典型的三相交流輸入的直流充電樁拓撲結(jié)構(gòu)，其中我們可以看到幾個關(guān)鍵的部分。 首先是功率轉(zhuǎn)換部分，其中包括將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電的三相PFC功率級，以及下游的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，以獲得電池充電所需的高壓直流電。高電壓和高能效是對功率轉(zhuǎn)換電路的核心訴求。為了實現(xiàn)這兩個目標，就需要為功率級選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)和元器件，因此兼具高效率和高壓特性的碳化硅（SiC）MOSFET被越來越多地采用，它們效率高，且能夠支持轉(zhuǎn)換器在更高電壓下工作，這樣一方面可以確保更高的充電功率，另一方面在相同功率下可以減少所需電流量，以使用更少的銅線纜，從而實現(xiàn)更高的功率密度。 其次，在圖4中我們還可以看到，為了對兩個功率級進行精確的控制，還需要有相應(yīng)的MCU。為了提升系統(tǒng)整體的效率和性能，在直流充電樁的設(shè)計時會引入一些創(chuàng)新的電源拓撲，比如在PFC功率級中采用的Vienna整流器架構(gòu)，而這些架構(gòu)需要具有更高性能的實時MCU來提供快速且精確的感應(yīng)、減小延遲的專業(yè)化處理、精確的可配置驅(qū)動等特性。

再有，在MCU和功率級電路之間，還需要柵極驅(qū)動器與IGBT、SiC MOSFET等功率器件配合使用。而在直流充電樁這樣的直流高壓系統(tǒng)中，高質(zhì)量增強隔離必不可少，因此隔離式柵極驅(qū)動器就成了標配，它們可以提供基本隔離、功能隔離和增強型隔離，防止任何危險的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流從電網(wǎng)中流出，同時通過來自MCU的低功率輸入，為 IGBT、SiC MOSFET等電源開關(guān)生成合適的高電流柵極驅(qū)動。 此外，我們還可以看到，在直流充電樁系統(tǒng)中，還需要一些輔助電源、通信接口和控制、HMI人機交互等方面的技術(shù)。所有這些技術(shù)有機整合在一起，才能夠完成一個完整的系統(tǒng)開發(fā)，這并不是一件簡單的工作。

TI的產(chǎn)品和方案

Texas Instruments (TI) 一直致力于為EVSE客戶提供先進的技術(shù)和方案支持，特別是能夠符合第3級高功率充電樁設(shè)計規(guī)范要求的整體解決方案。為此，TI在多個產(chǎn)品線上也在加速迭代，以提供更適合快速充電樁要求的產(chǎn)品。

比如在功率級的數(shù)字控制方面，TI的C2000實時控制器就是一個非常合適的方案，該高性能微控制器產(chǎn)品系列，專門用于控制電力電子產(chǎn)品，提供超短的延遲、精密感應(yīng)、強大的處理和高級驅(qū)動，以實現(xiàn)高效的電源控制。 TMS320F28004x就是C2000實時控制器家族中非常適合充電樁應(yīng)用的產(chǎn)品，它將關(guān)鍵的控制外設(shè)、不同的模擬和非易失性內(nèi)存集成在單個器件上，實時控制子系統(tǒng)基于TI 32位C28x CPU，該CPU可提供100MHz的信號處理性能。全新TMU擴展指令集進一步提升了C28x CPU的性能，可快速執(zhí)行三角運算的算法（轉(zhuǎn)換和扭矩環(huán)路計算中常見），以及VCU-I擴展指令集（減少編碼應(yīng)用中常見的復雜數(shù)學運算的延遲）。

TMS320F28004x MCU上還集成有高性能模擬塊，進一步提升了系統(tǒng)整合度：三個獨立12位ADC可準確、高效地管理多個模擬信號，從而最終提高系統(tǒng)吞吐量；模擬前端上的七個PGA可以在轉(zhuǎn)換之前實現(xiàn)片上電壓調(diào)節(jié)；七個模擬比較器模塊可以針對跳閘情況對輸入電壓電平進行持續(xù)監(jiān)控。 C2000還提供了可配置邏輯塊 (CLB)，基于CLB 可以擴充C2000外設(shè)并實施自定義邏輯，無需外部的FPGA、CPLD或邏輯部件就可以將關(guān)鍵功能集成到單個C2000 MCU 中。這種獨特的“MCU+CPLD”架構(gòu)，可為客戶的保護功能設(shè)計提供完美支持。 值得一提的是，C2000系列已經(jīng)形成了非常豐富的產(chǎn)品組合，可以為開發(fā)者探索不同的電源拓撲架構(gòu)控制提供極大的靈活性和可擴展性，這對于不斷發(fā)展的快充充電樁應(yīng)用大有裨益。

在隔離式柵極驅(qū)動器方面，TI的UCC23513值得關(guān)注，這是一款光電兼容、單通道、隔離式柵極驅(qū)動器，適用于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET。該器件的拉灌峰值輸出電流分別為4.5A和5.3A，額定增強隔離值達5.7KVRMS，電源電壓范圍高達33V，可驅(qū)動低側(cè)和高側(cè)功率FET。 UCC23513輸入級是一個模擬二極管（ediode），這意味著與傳統(tǒng)LED相比，其可靠性更持久，耐老化性能也更出色。該器件的其他性能還包括高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）、低傳播延遲和較小脈沖寬度失真，以及嚴格的工藝控制下較小的部件間性能偏移?？梢哉f，與基于標準光耦合器的柵極驅(qū)動器相比，其關(guān)鍵功能和特性以及可靠性都有顯著提升，特別是該器件的工作溫度較高，因此能夠用于傳統(tǒng)光電耦合器不支持的應(yīng)用。

在直流充電樁整體解決方案中，另一個值得推薦的TI產(chǎn)品是ISO672xB/ISO672xB-Q1數(shù)字隔離器，這是一個高性能雙通道數(shù)字隔離器，可提供符合UL 1577的3000VRMS隔離額定值，還通過了VDE、TUV、CSA和CQC認證。 該器件每條隔離通道的邏輯輸入和輸出緩沖器均由TI的雙電容二氧化硅（SiO2）絕緣柵相隔離。在隔離CMOS或LVCMOS數(shù)字I/O的同時，ISO672xB可提供高電磁抗擾度和低輻射，同時具備低功耗特性。這些器件與隔離式電源結(jié)合使用，有助于防止UART、SPI、RS-485、RS-232和CAN等數(shù)據(jù)總線損壞敏感電路，增強的電磁兼容性可緩解系統(tǒng)級ESD、EFT和浪涌問題并符合輻射標準要求。

最后，還有一個TI新近推出的隔離接口產(chǎn)品很值得推薦——ISO1042是一款符合ISO11898-2 (2016) 標準規(guī)格的電隔離CAN收發(fā)器，與隔離式電源一起使用，可提供高壓保護并防止總線的噪聲電流進入本地接地。該器件具有±70VDC總線故障保護功能和±30V共模電壓范圍，在CAN FD模式下最高支持5Mbps數(shù)據(jù)速率。由于采用了SiO2絕緣隔柵，ISO1042可承受5000VRMS的電壓，工作電壓為1060VRMS。由于該器件的電磁兼容特性得到了顯著增強，可確保提供系統(tǒng)級ESD、EFT和浪涌保護并符合輻射標準。

本文小結(jié)

隨著電動汽車市場的發(fā)展，充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也會加快步伐，在中國推出的“新基建”藍圖中，充電樁就是七大核心領(lǐng)域之一，其重要性和戰(zhàn)略意義由此可見一斑。而充電樁的開發(fā)，特別是具有快充特性的直流充電樁的開發(fā)，不僅需要有深厚的技術(shù)積累，還需要跟得上技術(shù)產(chǎn)品快速迭代升級的步伐，是個不小的挑戰(zhàn)。TI提供的豐富的產(chǎn)品組合和直流充電樁整體解決方案，無疑會為加速這個開發(fā)進程提供助力。

原文標題：電動汽車充電難，這道難題如何解？TI的答案是……

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