EV無變壓器快速充電解決方案

在插電式電動汽車 （PEV） 系統(tǒng)中，充電器可分為三個級別：AC Level 1 （《1.92 kW）、AC Level 2 （《19.2 kW） 和 DC Level 3 （》19.2 kW）。1由于其體積和重量，不建議在高功率 3 級系統(tǒng)中使用車載充電器。

本文將為功率高達 22 kW 的非車載非隔離式直流快速充電器提出兩種拓撲結(jié)構(gòu)。該充電器的典型模塊方案包括一個 AC/DC 整流器級，然后是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AC/DC 級通常使用單相或三相應(yīng)用來實現(xiàn)，具體取決于電網(wǎng)要求。三相選項提供了為電網(wǎng)接口和 DC/DC 級共享相同硬件的好處。在此處閱讀原文。

漏電流

漏電流是非隔離直流快充的典型問題。圖1中的紅線表示漏電流可以流過電網(wǎng)地和EV底盤的路徑。2，3此問題的一個常見解決方案是引入隔離式變壓器（電源轉(zhuǎn)換級）。然而，與非隔離式拓撲相比，隔離式系統(tǒng)的成本要高得多，體積也更重/更大。此外，變壓器會造成額外的功率損耗，從而降低效率。

EV 充電系統(tǒng)中漏電流的路徑。

圖 1：EV 充電系統(tǒng)中的漏電流路徑

根據(jù) IEC 61851-1 標準，電動汽車充電器不強制使用變壓器，4如果電動汽車系統(tǒng)中包含剩余電流裝置 （RCD），則無需額外的電氣隔離?；谏鲜鲆蛩兀ㄗh采用非隔離式直流快速充電器來解決漏電流問題，而無需使用額外的變壓器。

充電器配置

提議的充電器解決方案符合國際 （IEC） 和美國（IEEE、NEMA）標準。對于 IEC 標準，電源電壓為 240 V 或 400 V（三相），線路頻率為 50 Hz。在建議的直流充電器中，選擇 390 V 和 650 V 作為直流母線。

基本的兩級開關(guān)臂、Supper 和 Slower，以及 LC 濾波器構(gòu)成了建議的充電器。鑒于其高額定電流和電壓，Wolfspeed C2M0025120D SiC MOSFET 被選為電路的主要開關(guān)。考慮到快速充電的功率級別 3 要求和設(shè)備的額定電流，為電網(wǎng)接口側(cè)選擇了32A rms額定開關(guān)臂電流。下一節(jié)解釋了選擇額定電流值 （32 A rms ） 的基本原理。

綜上所述，二級雙向非隔離直流快速充電器的設(shè)計一直基于圖2所示的配置選項。

快速直流充電器配置選項。

圖 2：快速直流充電器配置選項

拓撲結(jié)構(gòu)

針對所提出的充電解決方案引入了單相和三相兩種拓撲結(jié)構(gòu)。

對于單相拓撲，可以使用圖 3 中的公式確定相電流，其中U grid、I grid和α分別是單相電壓、電流和功率因數(shù)。根據(jù)這個等式，在給定功率要求和電網(wǎng)電壓的情況下，可以計算出所需的電流。

單相拓撲的相電流計算。

圖 3：單相拓撲的相電流計算

相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

兩個開關(guān)臂在 AC/DC 側(cè)組合形成一個全橋整流器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器只需一個開關(guān)臂即可為電池提供直流電源（ 8 kW）。

非隔離單相充電器。

圖 4：非隔離單相充電器的拓撲結(jié)構(gòu)

與前一種情況類似，當(dāng)功率率和電網(wǎng)電壓已知時，可以確定相電流，如圖 5 所示。然后可以評估并聯(lián)開關(guān)臂的總數(shù) （32 A rms ） 。

三相拓撲的功率計算。

圖 5：三相拓撲的功率計算

在圖 6 中，顯示了相關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)。三個開關(guān)臂構(gòu)成三相整流器的交流/直流側(cè)。三個開關(guān)臂并聯(lián)用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池提供直流電源（ 22 kW）。

非隔離式三相充電器的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖 6：非隔離式三相充電器的拓撲結(jié)構(gòu)

可以看出，AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共享相同的直流母線。

硬件設(shè)計

實驗硬件由以下部分組成：

三相逆變器板，基于六個 C2M0025120D SiC MOSFET、六個 CRD-001 柵極驅(qū)動器、九個直流總線電容器 （B32774D8505K） 和一個直流電壓傳感器 （RP1215D）

組件板，基于九個三相電容器（B32774D8126K000，12 μF）、三個電壓傳感器（RP1215D）、三個電流傳感器（CKSR 25-NP）和三個功率繼電器（T9SV1K15-12）

三相平面電感器，專為非隔離式快速充電器應(yīng)用而設(shè)計

微控制器：TMS320F28377S MCU 用于為 AC/DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器生成 PWM 信號。

保護裝置：為了自動切斷輸出和電池之間的連接，在電池本身和DC/DC轉(zhuǎn)換器之間安裝了一個直流斷路器（M9U21240）。在電網(wǎng)接口和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器之間，連接了一個斷路器 （F204A-63/0.03） 和 RCD （M9F22463）。交流斷路器將防止在電網(wǎng)和接口之間流動的交流電流發(fā)生過電流。如果電網(wǎng)漏電超過閾值，RCD 會檢測到并斷開電網(wǎng)與逆變器的連接。

AC/DC 側(cè)的對稱電路示意圖如圖 7 所示。逆變器板和元件板由高壓區(qū)域隔開，距離為 8 mm，提供 800-V 隔離。

PEV 無變壓器快速充電解決方案

圖 7：電網(wǎng)側(cè)三相充電機示意圖

除了硬件保護外，軟件保護用于在出現(xiàn)意外情況時禁用充電器。

建議的拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

所提出的兩種非隔離拓撲都是無變壓器的，這大大減少了充電系統(tǒng)的空間和重量。所有組件都可以放置在一個 450 × 400 × 200-mm 的封裝中，而估計的 0.6 kW/L 功率密度顯著高于目前市場上競爭的快速充電設(shè)備。

與獨立充電器相比，所提出的拓撲通過消除變壓器造成的損耗來提高效率。圖 8 顯示了 DC/DC 轉(zhuǎn)換級的評估效率。

PEV 無變壓器快速充電解決方案

圖 8：經(jīng)測試的 DC/DC 級效率

峰值效率達到99.3%，而在額定功率為22kW時，峰值效率為98.8%。額定功率下的平均效率為 98.5%。零序電流控制可以避免漏電流，因為網(wǎng)側(cè)電容器的公共點連接到直流母線。泄漏電流將被限制在較低水平并滿足標準要求。