隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和環(huán)保意識(shí)的提升，電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等新能源汽車(chē)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。作為新能源汽車(chē)的“加油站”，充電樁不僅是連接電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)的橋梁，也是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、促進(jìn)可再生能源利用、推動(dòng)城市交通電氣化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)設(shè)施。中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2023年1-11月，充電基礎(chǔ)設(shè)施增量達(dá)到305.4萬(wàn)臺(tái)，樁車(chē)增量比為1:2.7，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正逐步跟上新能源汽車(chē)的增長(zhǎng)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(dòng)力，為滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的充電需求，本文將介紹三種主流不同功率段的電動(dòng)汽車(chē)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(jiàn)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(jìn)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(chǎng)所使用，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，但充電時(shí)間較長(zhǎng)，例如80kWh的電池可能需要12小時(shí)才能充滿(mǎn)。

在交流充電中，作為電動(dòng)汽車(chē)與公共電網(wǎng)之間的接口，車(chē)載充電機(jī)(OBC)安裝在電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部，能夠?qū)?lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車(chē)高壓電池所需的直流電，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的充電需求。同時(shí)，它還能將動(dòng)力電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡答伒诫娋W(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(jí)和包含獨(dú)立初級(jí)與次級(jí)部分的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器三個(gè)模塊，通常采用有橋Single Boost或全橋/半橋LLC拓?fù)?，以?shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的輸出。目前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是向更高的功率等級(jí)和電壓方向演進(jìn)，設(shè)計(jì)支持各種電壓和功率等級(jí)，例如在支持11kW至22kW功率的同時(shí)，還需支持高達(dá)800V的更高電池電壓。

安森美作為大功率汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域成熟的電源模塊供應(yīng)商，從650V-1200V的碳化硅MOSFET以及APM16/32系列汽車(chē)功率模塊等，持續(xù)為客戶(hù)供應(yīng)相應(yīng)產(chǎn)品。例如APM16系列采用硅超級(jí)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(jí)、原邊DCDC級(jí)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(shè)備，通常被設(shè)計(jì)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(shí)內(nèi)為80kWh的電池充滿(mǎn)電，并且充電設(shè)備通常體積較小，重量適中，價(jià)格中等，適合公共停車(chē)場(chǎng)和商業(yè)充電站。

以直流方式進(jìn)行充電時(shí)，同樣需要電動(dòng)汽車(chē)充電器(EVC)，但通常并未集成到電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部，因此其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于提供高效的電能轉(zhuǎn)換和快速的充電能力，同時(shí)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?fù)浠蛉嗳珮騊FC拓?fù)?，以及三電平全橋LLC或I-NPC的隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實(shí)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(shè)計(jì)，由PFC和DC-DC級(jí)組成，具有多個(gè)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(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)集成了隔離式大電流、高效率柵極驅(qū)動(dòng)器 NCD57000。依靠強(qiáng)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(dòng)汽車(chē)電池充電。此外，除了采用功率集成模塊外，設(shè)備方案商也通常在充電樁中使用類(lèi)似22/30/40 mohm的TO247-4封裝SiC分立器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、直流快充樁

快速直流充電站(DCFC)是為電動(dòng)汽車(chē)提供最快速充電的解決方案，功率可達(dá)30kW至600kW，這種充電方式可以在15分鐘內(nèi)為80kWh的電池充滿(mǎn)電，適合高速公路服務(wù)區(qū)和大型充電站?？焖僦绷鞒潆娬倔w積大，可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)充電模塊以獲得更高輸出能力，同時(shí)多輸出可兼容交流充電，價(jià)格較高但提供了極大的便利性。

要實(shí)現(xiàn)更快的充電、適配更高的電動(dòng)汽車(chē)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(yùn)行，同時(shí)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(mǎn)?各種電動(dòng)汽?不斷變化的充電需求，給OEM制造商帶來(lái)的挑戰(zhàn)是必須設(shè)計(jì)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(hù)電動(dòng)汽車(chē)直流超快速充電樁設(shè)計(jì)，安森美不久前推出了九款全新EliteSiC功率集成模塊，通過(guò)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(jiǎn)單的冷卻機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)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(tái)，將為設(shè)計(jì)人員提供快速部署可靠、高效和可擴(kuò)展的直流快充網(wǎng)絡(luò)所需的所有關(guān)鍵構(gòu)建模塊，實(shí)現(xiàn)在短短15分鐘內(nèi)將電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)關(guān)損耗和超高的效率，同時(shí)支持多電平T型中性點(diǎn)鉗位(TNPC)、半橋和全橋等關(guān)鍵拓?fù)?，支?5kW至100kW的可擴(kuò)展輸出功率段，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)F1和F2封裝，可選擇預(yù)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(guò)熱導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，充電設(shè)施的建設(shè)和技術(shù)進(jìn)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(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的專(zhuān)業(yè)能力，不僅推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)充電效率的提升，也為全球的綠色出行貢獻(xiàn)了力量。