推动电动汽车发展的快速充电技术

推动电动汽车发展的快速充电技术

电动汽车已经是当前汽车发展的主流趋势,不过,真正能够促进电动汽车快速发展的关键因素则是电池的充电速度。本文将为您介绍汽车充电技术的发展现况,以及安森美(onsemi)推出的相关解决方案。

消费者对电动汽车的接受度日益提高

电动车、电动动力总成和汽车功能电子化技术其实已存在多年,事实上,第一辆电动汽车(EV)在19世纪末便已经问世,但还是直到最近的三到五年,随着政府对于汽车废气排放标准趋于严格,以及更多供电动汽车使用的基础设施的部署,配合车厂推出更多的插电式混合动力车(PHEV)和电池电动车(BEV)车型,最终提高了电动汽车的普及率。

在消费者端,由于各国政府在过去几年里,一直在向电动汽车的车主提供不同性质的补贴与优惠,以支持过渡替代掉燃料车,包括税收减免,到免费停车和充电服务,以及使用高乘载车辆(HOV)车道等,吸引了越来越多消费者选择购买电动汽车。

不过以往仍有一些潜在的障碍阻碍了电动汽车产业的发展,其中最明显的因素包括续航里程焦虑、较高的电动汽车价格,以及电池的充电时间仍比传统车辆的油箱加油时间耗时,阻碍了人们采购电动汽车的意愿。

随着增加电池容量和车辆优化的千瓦时/公里比率,正在解决续航里程焦虑问题,加上电动汽车的价格正在稳步下降,已经越来越接近内燃机(ICE)汽车的价位,且随着有越来越多车厂投入电动汽车的开发,消费者可供选择的电动汽车车型也越来越多了。

目前电动汽车剩下的最后一个障碍,便是充电时间较慢的问题,如何加快电动汽车的充电速度,便成为各家车厂与解决方案供应商的努力目标。

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电动汽车快速充电提升充电效率

目前的电动汽车充电方式,可以分为慢速充电(有效功率不超过22 kW)和快速充电系统(22-400 kW及以上),其中慢速充电系统已经在家庭、公共停车场和工作场所的停车场相对广泛使用,快速充电系统主要在公共场所、商业区或充电站/桩使用。

在慢速充电的最高额定功率下,系统在50-60分钟约可提供多100公里续航里程,在较低的功率端,当使用专用电缆连接到标准插座时,家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小时,则需要约5小时(3.7千瓦)来增加100公里续航里程。相比之下,快速充电系统则可在10分钟内提供相近的续航里程,若充电桩能够提供的功率越高,充电时间则越短,随着电动汽车的电池容量不断增加,搭配充电技术不断改进,将可允许更高的峰值功率,以达到更快的充电速率。

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高直流充电模式加快充电速率

交流充电和直流充电是电动汽车的两种充电方式,这原本是相当简单的概念,但却也容易令人混淆不清。从本质上讲,两者的区别在于将电力转移到车辆的充电端口(而不是进入电池)时的电流模式。

在交流充电模式下,来自电网的交流电通过交流电插座或充电档口输送到汽车中,汽车将通过车载充电器(OBC)管理交流-直流电的转换,并向电池提供直流电压和电流。交流充电通常被称为“慢速充电”,这是因为它的功率限制(最高端通常为22 kW)和最短的必要充电时间。

另一方面,在直流充电模式下,交流-直流转换由车外充电器进行,由于车外的空间、重量和热量限制更为宽松,所以直流充电的额定功率有很大的范围,甚至可低于11 kW,最高则可达400 kW。不过,并不是所有的车辆都能接受高直流电力水平的充电,现在大多数已推出的车辆通常可以在直流模式下支持至少50 kW的速率。

为了规范和标准化交流和直流充电技术,促进支持电动汽车兼容的电动汽车供应设备(EVSE)生态系统的发展,目前已经制定了一些标准和IEC规范。这些设定的框架,将尽可能的全球化,以帮助协会和行业发展协议和EVSE。目前主要有三个全球扩展的直流充电实施方案,包括CHAdeMO(“charge de move”移动充电的缩写)、联合充电系统(CCS)和特斯拉超级充电站,在中国则实施唯一且独有的GB/T协议标准。

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提供完整的电动汽车充电解决方案

快速直流电动车充电是功率电子领域创新的推进器之一,也是碳化硅(SiC)等新型电源技术采用最迅速的市场之一。电动汽车快速充电在高功率和高电压的应用上,将可获得了SiC模块技术的好处,它表现出更高的击穿电压,更低的RDSON和动态损耗,以及卓越的热性能。

在开发快速电动车充电器时,还需要考虑使用SiC开关在高频率下工作时的稳定性,其中门极驱动系统则是重要组成部分,且对系统性能有直接的影响。门极驱动器的另一个关键考虑因素是片上集成功能(除电隔离外)和保护,安森美推出的NCD57XXX和NCD51XXX电隔离门极驱动器系列具有3.5 kV和5 kV额定值,为开发快速电动车充电器带来设计灵活性和系统可靠性,在片上集成了多种功能和保护措施,并显示出高达9 A的驱动电流能力。为满足不同的需求,安森美推出多种产品组合,包括单通道驱动器,如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7,以及双通道驱动器,如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256,以满足所有使用情况。

此外,与门极驱动器相邻的一个重点是驱动它们所需的隔离电源,电源需要紧凑和坚固,确保在所有工作条件下有稳定的电压轨,围绕NCV3064开关稳压器的电源,如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC将有助于满足这些需求。有鉴于快速直流电动车充电器必须采用高功率和高电压,电隔离对于高端驱动器也是必须的,隔离驱动器通过最大限度地提高其共模瞬态抗扰度(CMTI)来增强系统的坚固性,这在使用快速开关宽禁带技术在高dV/dt驱动时特别重要。

快速直流电动车充电的另一个重要考虑因素是系统中必要的安全保护,尤其是法规所规定的安全保护。安森美的FAN4147和NCS37014接地故障电流(GFC)中断器满足各种法规的要求,可为开发符合安全要求的EVSE提供现成的解决方案。

辅助电源单元(PSU)在电力系统中无处不在,快速直流电动车充电也不例外,围绕NCP1362准谐振谷初级端开关或NCP1252和NCP12700次级端控制器所开发的PSU则可以帮助解决这些需求。在开关方面,具有高RDSON(160 mOhm)的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用,因为它们带来了出色的性价比,是900 V DC系统的最佳方案。

结语

安森美是SiC技术和功率集成模块的领先供应商,而且在质量上受到客户的肯定,作为极少数拥有SiC完整供应链的供应商之一,同时具有650V和1200V解决方案,並能确保SiC分立及模块产品的最高质量和可靠性标准,以及卓越的运营和灵活性,将会是电动汽车快速充电应用的最佳合作伙伴。