不同功率電動汽車充電樁設計方案

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和環(huán)保意識的提升，電動汽車、混合動力汽車等新能源汽車在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的推廣和應用。作為新能源汽車的“加油站”，充電樁不僅是連接電網(wǎng)和電動汽車的橋梁，也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)、促進可再生能源利用、推動城市交通電氣化轉(zhuǎn)型的重要基礎設施。中國電動汽車充電基礎設施促進聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2023年1-11月，充電基礎設施增量達到305.4萬臺，樁車增量比為1:2.7，充電基礎設施建設正逐步跟上新能源汽車的增長步伐。

技術(shù)創(chuàng)新正成為充電樁行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力，為滿足不同場景下的充電需求，本文將介紹三種主流不同功率段的電動汽車充電方式，并探討安森美(onsemi)所提供的具體解決方案參考。

一、交流充電

交流充電是目前市面上最常見的充電方式，通常使用家用電源插座或?qū)Ｓ玫慕涣鞒潆姌哆M行。這種充電方式的功率范圍從3.3kW(單相)到22kW(三相)，適合家庭和辦公場所使用，其優(yōu)點是設備簡單、成本較低，但充電時間較長，例如80kWh的電池可能需要12小時才能充滿。

在交流充電中，作為電動汽車與公共電網(wǎng)之間的接口，車載充電機(OBC)安裝在電動汽車內(nèi)部，能夠?qū)碜噪娋W(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為電動汽車高壓電池所需的直流電，以滿足電動汽車動力電池的充電需求。同時，它還能將動力電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，反饋到電網(wǎng)中，實現(xiàn)電動汽車動力電池和電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換。

OBC典型框圖

OBC主要包含EMI濾波器、功率因數(shù)校正(PFC)級和包含獨立初級與次級部分的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器三個模塊，通常采用有橋Single Boost或全橋/半橋LLC拓撲，以實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的輸出。目前的設計趨勢是向更高的功率等級和電壓方向演進，設計支持各種電壓和功率等級，例如在支持11kW至22kW功率的同時，還需支持高達800V的更高電池電壓。

安森美作為大功率汽車應用領域成熟的電源模塊供應商，從650V-1200V的碳化硅MOSFET以及APM16/32系列汽車功率模塊等，持續(xù)為客戶供應相應產(chǎn)品。例如APM16系列采用硅超級結(jié)MOSFET和硅或碳化硅二極管技術(shù)的組合，能夠支持400V DC電池系統(tǒng)，為PFC級、原邊DCDC級以及副邊整流邊提供了多種解決方案。而APM32系列集成了1200V碳化硅器件，可用于800V電池系統(tǒng)和更大功率的OBC。

二、直流充電裝置(DC Wallbox)

DC Wallbox 或DC充電模塊是一種直流充電設備，通常被設計為安裝在墻壁上的小型充電裝置，提供了比交流充電更快的充電速度，這種充電方式的功率范圍可以從6.6kW(單相)到75kW(三相)，在2小時內(nèi)為80kWh的電池充滿電，并且充電設備通常體積較小，重量適中，價格中等，適合公共停車場和商業(yè)充電站。

以直流方式進行充電時，同樣需要電動汽車充電器(EVC)，但通常并未集成到電動汽車內(nèi)部，因此其設計重點在于提供高效的電能轉(zhuǎn)換和快速的充電能力，同時也需要考慮與電網(wǎng)的兼容性和充電安全性。典型的直流EVC可能采用三相Vienna/T-NPC PFC拓撲或三相全橋PFC拓撲，以及三電平全橋LLC或I-NPC的隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)高效率和低EMI。

DC充電典型框圖

此前安森美分享了基于碳化硅功率集成模塊的25 kW快速直流充電樁完整方案參考設計，由PFC和DC-DC級組成，具有多個1200V、10 mohm半橋SiC模塊NXH010P120MNF1，超低RDS(ON)和最小化寄生電感，可顯著降低導通損耗和開關(guān)損耗，同時集成了隔離式大電流、高效率柵極驅(qū)動器 NCD57000。依靠強大的通用控制器板(UCB)，以及Zynq-7000 SoC FPGA和基于ARM的處理器，該系統(tǒng)可在200V-1000V輸出電壓下提供最大25kW的功率，并以96%的全局效率為400V或800V電動汽車電池充電。此外，除了采用功率集成模塊外，設備方案商也通常在充電樁中使用類似22/30/40 mohm的TO247-4封裝SiC分立器件進行設計。

三、直流快充樁

快速直流充電站(DCFC)是為電動汽車提供最快速充電的解決方案，功率可達30kW至600kW，這種充電方式可以在15分鐘內(nèi)為80kWh的電池充滿電，適合高速公路服務區(qū)和大型充電站。快速直流充電站體積大，可以通過并聯(lián)多個充電模塊以獲得更高輸出能力，同時多輸出可兼容交流充電，價格較高但提供了極大的便利性。

要實現(xiàn)更快的充電、適配更高的電動汽車電池電壓并提高整體功率效率，直流快充樁必須在更高的電壓和功率水平下運行，同時由于直流快充樁集成了各種元器件，包括輔助電源、傳感、電源管理、連接和通信器件，需要采?靈活的制造?法以滿?各種電動汽?不斷變化的充電需求，給OEM制造商帶來的挑戰(zhàn)是必須設計一種能在不影響可靠性或安全性的情況下優(yōu)化效率的架構(gòu)。

為助力客戶電動汽車直流超快速充電樁設計，安森美不久前推出了九款全新EliteSiC功率集成模塊，通過減少寄生參數(shù)和提高散熱能力，基于碳化硅的解決方案將具備更高的效率和更簡單的冷卻機制，實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的系統(tǒng)損耗，顯著降低系統(tǒng)成本。與傳統(tǒng)的硅基IGBT解決方案相比，尺寸最多可減小40%，重量最多可減輕52%。這更緊湊、更輕的充電平臺，將為設計人員提供快速部署可靠、高效和可擴展的直流快充網(wǎng)絡所需的所有關(guān)鍵構(gòu)建模塊，實現(xiàn)在短短15分鐘內(nèi)將電動汽車電池充電至80%。

該系列PIM采用第三代M3S SiC MOSFET技術(shù)，提供超低的開關(guān)損耗和超高的效率，同時支持多電平T型中性點鉗位(TNPC)、半橋和全橋等關(guān)鍵拓撲，支持25kW至100kW的可擴展輸出功率段，采用行業(yè)標準F1和F2封裝，可選擇預涂熱界面材料(TIM)和壓接引腳，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳熱管理，避免因過熱導致的系統(tǒng)故障。

隨著電動汽車市場的不斷擴大，充電設施的建設和技術(shù)進步變得至關(guān)重要，安森美提供的一系列解決方案從家用AC充電到公共的DC快速充電站，都體現(xiàn)了其在電動汽車充電技術(shù)領域領先的專業(yè)能力，不僅推動了電動汽車充電效率的提升，也為全球的綠色出行貢獻了力量。