由于缺乏充電站和較長的充電時間是阻礙電動汽車未來發展的兩大障礙。目前各大廠商正在努力改變這種情況。

毫無疑問電動車将是我們的未來。幾乎所有的汽車制造商都已開發出電動汽車模型，或承諾将很快開發新的電動汽車。在内燃機(ICE)占據主導地位100多年後，制造商們終于放手，緻力于電動汽車的未來。

雖說這樣與燃油車分手很舍不得。盡管化石燃料的儲存依然豐富，溫室效應狀況也有了改善，但由于綠色出行的倡導、政府法規和購買者的普及正推動着世界向電動汽車發展。

發展道路上的攔路虎

除了汽車制造商從基于ICE産品線轉變為基于EV産品線需要數十億美元的投資外，有限的續航裡程和過長的充電時間是電動車飽受诟病的兩大因素。

典型的燃油車在加滿油前的行駛裡程可達400英裡，還有成千上萬的加油站的幫助。

大多數電動汽車充電一次能跑100英裡就算很不錯了，但電池性能更好的新車型現在可以在充電前跑200英裡，300英裡肯定會成為普遍現象。電池的持續發展将在不久的将來提升這一範圍。

消費者“裡程焦慮”的另一個因素是充電站數量有限。如果附近有大量充電站，短程充電是可以接受的，目前的數量尚且不夠。為了使電動汽車在哪裡都能夠補充電量，充電站的數量應該與我們今天可以使用的加油站數量相等。

福特最近宣布與美國電氣化公司和綠地公司合作開發一個全國性的電動汽車充電網絡—FordPass Charging充電網絡，該網絡由12000個充電站和35000個插頭組成。這些電站将具有高功率直流充電能力，将加快充電速度。如今，即使使用高壓直流電源，完全充電也需要大約30分鐘。與加滿一次汽油的時間很少超過10分鐘相比，誰願意等那麼久?

一旦公衆充分意識到這數以千計的快速充電站将逐步建成，電動汽車的銷量很快就會大幅增長。

性能更好的電力電子的解決方案

所有的高壓直流充電站的主要需求是低成本、高效率的AC-DC和DC-DC轉換器，這大大加快了充電站的充電速度。這些充電器直接連接到汽車的主驅動電池上，為主驅動電機提供400v或更高的電壓。像這樣給電池充電需要很大的電力。這種被稱為L3級的充電器會直接連接到三相交流電源線上。

汽車工業和汽車工程師協會(SAE)已經為電動汽車充電器建立了一些正式的标準，通常被稱為電動汽車供應設備(EVSE)。下表總結了這些類型的充電器。

1級和2級充電器内置在車輛上，被稱為車載充電器(OBC)，在家庭、工作、私人/公共插座上充電。1級和2級的充電時間很長，但在夜間充電是沒問題的。

3級充電器用于公共充電站。有了三相電網電力輸入，充電時間可能大大縮短。3級充電器直接将直流電送到電池。輸出200- 800V範圍和400 A左右的電流水平，充電時間大大減少。據介紹3級充電器可以在20分鐘内為電池充電80%，是未來電動車健康發展的良藥。

直流充電機體系結構

下圖顯示了一個通用的架構，可以把它想象一個3級充電器。它從電網接收三相交流電，對其進行過濾，然後提供功率因數校正(PFC)，使交流電整流成直流電。DC-DC轉換器開發所需的高壓直流連接到電池上。嵌入式MCU控制整個系統，包括PFC、整流器和轉換電路的門驅動器。這是一個簡單的介紹，實際的電路要複雜得多。

下圖說明了典型的電路。交流輸入應用于PFC和維也納整流電路。控制MCU的脈寬調制(PWM)開關MOSFET，從而發生整流和功率因數校正。

這裡，介紹一下維也納整流電路。]VIENNA整流器電路結構簡單，開關管數量少，可以實現三電平運行，同等輸出電壓情況下，能有效地降低開關管的電壓應力。另外，該電路具有三電平結構，因而，在确定電流紋波要求下，可以采用較小的濾波電感。由于上述特點使得該電路在單相功率因數校正(PFC)場合具有良好應用前景。

高壓輸出被應用到兩個并聯諧振的DC-DC轉換器，産生為電池充電的輸出電壓。變換器MOSFET由單片機PWM信号驅動。全橋電路之間的變壓器耦合提供了輸入和輸出之間必要的隔離。

注意，在上圖中輸出階段是并聯的。為了擴大輸出功率以實現更快的充電，大多數像這樣的DC-DC轉換器可以堆疊或進一步并聯。有了這種安排，就可以容納多種功率級别。

實現L3充電器

德州儀器的TIDA-010054雙主動橋參考設計是為L3充電器所精心設計的。下圖顯示了電路和相關部分，如碳化矽栅極驅動器。

此圖顯示了雙有源全橋單相DC/DC變換器(DAB)的組成，左邊是維也納的高壓橋整流器/ PFC (700 - 800 V),右邊是電源電路, 為電池充電(380 - 500v)。這樣的安排可使疊加轉換器實現高功率輸出，并提供雙向操作模式，支持電池的充放電應用。

本設計的一些主要特點:

軟切換換相

效率在97%到98%之間

隔離電壓和電流感應

電隔離

TI的C2000 MCU TMS320F280049數字控制控制器

最大輸出功率為10kw

SiC MOSFET器件

這些轉換器的關鍵元件是開關晶體管。以前的設計使用雙極結晶體管(BJT)，但很快被MOSFET取代。不久的将來，基于超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業界規範，有些設備不能處理的問題，如涉及的非常高的電壓和電流這種可以由IGBT處理。

如今的趨勢是使用更多功能的SIC MOSFET。這些設備可以很容易地管理電壓高達1000v或更高的高電流水平。它們的開關速度更快(最高可達100 kHz)，并且具有更低的通阻，有助于提高效率。

使用能夠處理雙向功率的dc-dc轉換器是當今充電站設計的趨勢。這種配置允許車輛内部能夠靈活安排其他充電和負載供電應用。車輛對電網(V2G)模式是一個比較理想的特性，該模式允許車輛電池将電力送回電網。

延伸閱讀——OBC

這幾年，我國不斷提倡發展包括新能源汽車在内的節能汽車，其中電動汽車（EV）成為一大熱點，而車載充電（OBC）是電動汽車應用中的一大重要部分。

EV充電解決方案

AC充電

每輛車都有一個車載充電器（OBC）

在家庭、工作、私人/公共插座上充電

最大公共電源充電電平 @ AC充電站

7.2kW（32A單相），22kW（三相）

充電時間：

對于AC充電站 7.2kW@32A，為3-4小時

DC充電

适用于短暫停留和大量充電

（例如，長途旅行）

充電電量 ≥50kW@ ≥100A

充電@ EV充電站

對于80%充電，充電時間通常需要30-60分鐘

AC充電解決方案 - 概述

車載充電器（OBC） - 主要特點

OBC是一個由（PFC 隔離DC-DC）主級組成的AC-DC轉換器

功率水平可達22kW

輸入電壓

EU：230 Vac或 400 Vac

US：120Vac或 240 Vac

電壓輸出範圍：200VDC-450VDC

高效率

需要AEC-Q101功率分立器件

AEC-Q100集成電路需要為

最小尺寸

OBC電源架構 — 主模塊框圖

（3ph Neutral）輸入：模塊化方法

3x（相位到中性）供電優勢

模塊化方法3x（PFC DC-DC）模塊具有共同輸入，可實現：

1.簡單的系統實現

非常容易從單相解決方案修改為3相供電解決方案。3相中的每一相都可采用典型單相拓撲。

2.系統可靠性更高

即便一個或多個模塊發生故障，仍能保證充電功能

3.更高的系統效率

對于部分加載請求， 三個模塊中僅有一些是接通的

翻譯自——electronicdesign，Lou Frenzel from TI

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