作者：Karol Rendek, Stefan Kosterec

隨著消費者對電動汽車 (EV) 的需求和訴求持續(xù)增強(qiáng)，直流快速充電市場在蓬勃發(fā)展，市場對快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也在增加。預(yù)測未來五年的年復(fù)合增長率 (CAGR) 為20%至30%。如果您是在電力電子領(lǐng)域工作的一名應(yīng)用、產(chǎn)品或設(shè)計工程師，遲早會參與到這新的充電系統(tǒng)的設(shè)計中。

這里可能會出現(xiàn)一個基本問題，特別是如果您是第一次面臨這樣的挑戰(zhàn)。應(yīng)該如何開始設(shè)計，從哪里開始？關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素是什么，應(yīng)該如何解決這些挑戰(zhàn)？安森美(onsemi)幫助設(shè)計人員解決這些挑戰(zhàn)，我們將演示開發(fā)基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦直流快速充電樁。

開發(fā)這種類型的大功率電池充電器需要多樣化的技能。安森美專家團(tuán)隊主導(dǎo)了該設(shè)計的項目協(xié)調(diào)，承擔(dān)了所有硬件開發(fā)活動，并開發(fā)了固件和軟件。該團(tuán)隊在電源轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動的控制和算法方面擁有多年的開發(fā)經(jīng)驗。

我們將談?wù)勚绷鞒潆姌兜拈_發(fā)過程，在每一部分探討不同的主題。我們將聚焦所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)、權(quán)衡取舍，并展示如何從頭設(shè)計、構(gòu)建和驗證這樣的系統(tǒng)。設(shè)計過程并非一帆風(fēng)順，向前推進(jìn)的最佳方式是快速啟動、運行和迭代。

快速直流充電樁 – 我們要構(gòu)建什么？

在電動車生態(tài)系統(tǒng)中，直流充電樁提供 "快速 "和 "超快 "充電能力，與較慢的交流充電器形成對比。從本質(zhì)上講，電動車充電器將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為適合輸送到電動車電池的直流電。直流充電的電源轉(zhuǎn)換是在電動車外（"車外"）進(jìn)行的，然后輸送到車輛，功率等級從低于50千瓦到大于350千瓦（甚至更高的等級也在開發(fā)中）。更高功率的直流充電樁通常以模塊化的方式構(gòu)建，15至75千瓦（及以上）的功率塊堆疊在一個柜子里（圖2）。一般來說，直流充電樁的輸出電壓從150 V到1000 V，涵蓋常見的400 V和800 V電動車電池電壓，可針對較高或較低的電壓端進(jìn)行優(yōu)化。

這種電源模塊的結(jié)構(gòu)如下：前端一個帶有功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，然后是一個DC-DC級，提供在電網(wǎng)和負(fù)載（電動車的電池）之間的隔離，并調(diào)節(jié)輸出端電壓和電流（圖2）。該系統(tǒng)也可能是雙向的（特別是在低功率時），因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計應(yīng)考慮到這一點。

安森美團(tuán)隊開發(fā)的是一種具有雙向充電能力的25千瓦直流充電樁 。該系統(tǒng)應(yīng)涵蓋廣泛的輸出電壓范圍，能夠為400 V和800 V電池的電動車充電，經(jīng)優(yōu)化還可用于更高的電壓等級。輸入電壓的額定值為歐盟400伏和美國480伏的三相電網(wǎng)。功率級應(yīng)在500 V至1000 V電壓范圍內(nèi)提供25千瓦。低于500 V時，輸出電流將被限制在50 A，降低功率以與直流充電標(biāo)準(zhǔn)如聯(lián)合充電系統(tǒng)(Combined Charging System ，簡稱CCS) 或CHAdeMO（圖3）的電流曲線吻合。

關(guān)于通信端口，該板將為外部接口（電源塊、充電器系統(tǒng)控制器、車輛、服務(wù)和維護(hù)之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎(chǔ)架構(gòu)?？偟膩碚f，設(shè)計將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電動車充電的準(zhǔn)則。下表概述了系統(tǒng)要求。

開發(fā)流程

我們的團(tuán)隊遵循電源轉(zhuǎn)換硬件開發(fā)流程的邏輯。首先是根據(jù)應(yīng)用要求定義實際的直流充電樁功率級。我們的案例總結(jié)在表格中。這些符合市場的需求，并遵循IEC-68515準(zhǔn)則。這些要求有助于團(tuán)隊了解目標(biāo)。第一個可行性研究有助于驗證最初的要求和假設(shè)。這些將被整合為系統(tǒng)設(shè)計的一部分，包括（在本項目的范圍內(nèi)）硬件、軟件、熱管理和機(jī)械設(shè)計、原型和驗證。所有基本的系統(tǒng)變量和解決方案的大多數(shù)臨界權(quán)衡取舍都發(fā)生在可行性研究期間。這些任務(wù)和子設(shè)計是通過多次迭代進(jìn)行的，其中一個部分的輸出和假設(shè)被反饋到另一個部分。其中兩個主要的設(shè)計活動提供了重要的產(chǎn)出，以推進(jìn)工作：

用SPICE模型進(jìn)行電源仿真

使用MATLAB和Simulink進(jìn)行控制仿真

電源仿真對于確認(rèn)工作電壓和電流、損耗、散熱要求及功率和無源元件的選擇等方面的假設(shè)至關(guān)重要。一旦實施計劃準(zhǔn)備就緒，就要進(jìn)行包括功率參數(shù)在內(nèi)的控制仿真，以確認(rèn)采用該電源設(shè)計的控制回路可以有效地工作。在通過電源和控制仿真證實設(shè)計后，就獲批繪制原理圖、布局PCB和制造原型。一旦有了電路板，就可進(jìn)行硬件啟動，功能測試和系統(tǒng)評定。請參考《從頭開始開發(fā) 25 kW 電動車直流充電樁》。最有價值的收獲將出現(xiàn)在我們解決挑戰(zhàn)和問題的過程中。（*欲了解更多請觀看“設(shè)計基于碳化硅（SiC）的直流快速充電系統(tǒng)”的四場網(wǎng)絡(luò)研討會系列。

審核編輯 黃宇