本文作者：安森美產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Kevin Keller
雖然“續航焦慮”一直存在，但混合動(dòng)力、純電動(dòng)等各種形式的電動(dòng)汽車(chē)(EV)正被越來(lái)越多的人所接受。汽車(chē)制造商繼續努力提高電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程并縮短充電時(shí)間，以克服這個(gè)影響采用率的重要障礙。電動(dòng)汽車(chē)的易用性和便利性受到充電方式的顯著(zhù)影響。由于高功率充電站數量有限，相當一部分車(chē)主仍然需要依賴(lài)車(chē)載充電器(OBC)來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電。為了提高車(chē)載充電器的性能，汽車(chē)制造商正在探索采用碳化硅(SiC)等新技術(shù)。這篇技術(shù)文章將探討車(chē)載充電器的重要性，以及半導體開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)步如何推動(dòng)車(chē)載充電器的性能提升到全新水平。
如今市場(chǎng)上有多種使用不同推進(jìn)系統的汽車(chē)，包括僅由內燃機(ICE)提供動(dòng)力的汽車(chē)、結合使用內燃機和電力系統的混合動(dòng)力汽車(chē)(xHEV)和純電動(dòng)汽車(chē)(xEV)。xHEV包括兩種不同類(lèi)型的汽車(chē)，分別為輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (MHEV)和全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(FHEV)。
MHEV主要依靠?jì)热紮C，同時(shí)集成了一個(gè)小型電池（通常為48V）。但是，MHEV無(wú)法僅依靠電力行駛，電動(dòng)機旨在幫助適度降低油耗。
相比之下，FHEV具有更強的靈活性，因為它可以無(wú)縫結合使用內燃機和電動(dòng)機，其中電動(dòng)機由電池供電（通常工作電壓范圍為100-300V）。FHEV 還可以利用制動(dòng)能量回收技術(shù)為電池充電，利用制動(dòng)過(guò)程中捕獲的能量來(lái)提高效率。
所有xEV，包括插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和純電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)，都配備再生制動(dòng)系統。然而，由于具有較大的電池容量，這些汽車(chē)在很大程度上依賴(lài)車(chē)載充電器進(jìn)行充電
圖1：如今存在多種多樣的電動(dòng)汽車(chē)，包括MHEV、FHEV、PHEV和BEV
最簡(jiǎn)單的充電方式差不多就是通過(guò)線(xiàn)纜將電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器連接到墻上插座（通常需要接地故障保護）。盡管這種充電方式非常便利，但大多數住宅 1級系統（或J1772標準中定義的SAE AC 1級）的工作功率約為1.2kW，充電一小時(shí)只能增加5英里的里程[1]。2級系統（或SAE AC 2級）通常使用電網(wǎng)的多相交流供電，最常見(jiàn)于公共建筑和商業(yè)設施。功率最高可達22kW，充電一小時(shí)可以增加90英里的里程。
無(wú)論是1級還是2級充電器，都是為電動(dòng)汽車(chē)提供交流電，因此車(chē)載充電器是將交流輸入轉換為直流輸出來(lái)為電池充電的關(guān)鍵。目前，市面部署的大多數充電器都是2級充電器。
大功率直流充電樁通常稱(chēng)為3級、SAE 1級和2級直流充電樁或IEC模式4充電器，它輸出直流電壓，可以直接為電池充電，而無(wú)需車(chē)載充電器。這些直流充電樁的功率范圍從50kW到超過(guò)350kW，可以在大約15-20分鐘內充電至電池容量的80%�？紤]到高功率水平和需要對電網(wǎng)基礎設施進(jìn)行改造，盡管快速充電站的數量正在迅速增加，但仍然相對有限。
許多汽車(chē)制造商目前正在將400V電池改為800V電池。這種轉變旨在通過(guò)提高系統效率、提升性能、加快充電速度和減輕線(xiàn)纜和電池重量來(lái)延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的續航里程。
車(chē)載充電器分析車(chē)載充電器通常是二級電源轉換器，由功率因子校正級(PFC)和隔離型DC-DC轉換器級組成。需要注意的是，雖然非隔離型配置是可行的，但很少使用。功率因子校正級對交流供電進(jìn)行整流，將功率因子保持在0.9以上，并為DC-DC級生成調節的總線(xiàn)電壓。
過(guò)去幾年中，市場(chǎng)對雙向系統的需求顯著(zhù)增加。雙向系統讓電動(dòng)汽車(chē)能夠提供從電池到電源的反向功率流，以支持各種用途，例如動(dòng)態(tài)平衡電網(wǎng)負載（V2G：車(chē)輛到電網(wǎng)）或管理電網(wǎng)停電（V2L：車(chē)輛到負載）。
傳統的功率因子校正方法涉及到結合使用二極管整流橋與升壓轉換器。整流橋將交流電壓轉換為直流電壓，而升壓轉換器則負責升高電壓。該基本電路的增強版本采用交錯式升壓拓撲，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)轉換器級，以減少紋波電流并提高效率。這些功率因子校正拓撲通常采用硅技術(shù)，如超結MOSFET和低Vf二極管。
隨著(zhù)寬禁帶(WBG)功率開(kāi)關(guān)的出現，特別是SiC功率開(kāi)關(guān)，新的設計方法得以實(shí)現。這類(lèi)功率開(kāi)關(guān)具有較低的開(kāi)關(guān)損耗、較低的RDS(on)和低反向恢復體二極管優(yōu)勢。
在中高功率的功率因子校正應用（通常為6.6kW及以上）中，無(wú)橋圖騰柱拓撲變得越來(lái)越普及。如圖2所示，在這種拓撲中，慢橋臂(Q5-Q6)以電網(wǎng)頻率(50-60Hz)開(kāi)關(guān)，而快橋臂(Q1-Q4)則會(huì )進(jìn)行電流整形和升壓，并在硬開(kāi)關(guān)模式下以更高頻率（通常為65-110kHz）運行。盡管無(wú)橋圖騰柱拓撲大幅提高了效率并減少了功率元件的數量，但它提高了控制方面的復雜性。
圖2：無(wú)橋圖騰柱拓撲
DC-DC級通常采用隔離式拓撲，使用變壓器提供隔離，主要目的是根據電池的充電狀態(tài)調節輸出電壓。盡管可以采用半橋拓撲，但當前主要采用雙有源橋(DAB)轉換器方案，例如諧振轉換器（比如LLC、CLLC）或相移全橋 (PSFB)轉換器。近來(lái)，諧振轉換器，特別是LLC和CLLC，因其具備多項優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，具體優(yōu)勢包括寬軟開(kāi)關(guān)工作范圍、雙向工作能力以及將諧振電感和變壓器整合到單個(gè)功率變壓器中的便利性。
圖3：雙向DC-DC允許在用電高峰期間將電力返回電網(wǎng)
車(chē)載充電器應用中的SiC對于400V電池組，通常首選SiC 650V器件。然而，對于800V結構，由于具有更高的電壓要求，因此需要使用額定電壓為1200V的器件。
車(chē)載充電器領(lǐng)域采用SiC的原因是其各項品質(zhì)因數(FOM)表現出色。SiC在單位面積的具體RDS(on)、開(kāi)關(guān)損耗、反向恢復二極管和擊穿電壓方面具備優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得基于SiC的方案能夠在更高的溫度下可靠地運行。利用這些出色的性能特點(diǎn)，可以實(shí)現更高效、更輕量的設計。因此，系統可以實(shí)現更高的功率水平（最高可達22kW），而這是使用基于硅的傳統方案（如 IGBT或超結）難以實(shí)現的。
雖然電動(dòng)汽車(chē)采用更高功率的車(chē)載充電器可能不會(huì )直接影響汽車(chē)的續航里程，但它能夠顯著(zhù)縮短充電時(shí)間，有助于解決續航焦慮問(wèn)題。為了實(shí)現更快的充電速度，車(chē)載充電器的功率正在不斷提高。SiC技術(shù)發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，使這些系統變得更加高效，確保高效地轉換電網(wǎng)電力，避免能源浪費。該技術(shù)使人們能夠設計更緊湊、輕量和可靠的車(chē)載充電器系統。 |
