|
作者：安森美產品線經理 Kevin Keller 雖然“續航焦慮”一直存在，但混合動力、純電動等各種形式的電動汽車 (EV) 正被越來越多的人所接受。汽車制造商繼續努力提高電動汽車的行駛里程并縮短充電時間，以克服這個影響采用率的重要障礙。電動汽車的易用性和便利性受到充電方式的顯著影響。由于高功率充電站數量有限，相當一部分車主仍然需要依賴車載充電器 (OBC) 來為電動汽車充電。為了提高車載充電器的性能，汽車制造商正在探索采用碳化硅 (SiC) 等新技術。這篇技術文章將探討車載充電器的重要性，以及半導體開關技術進步如何推動車載充電器的性能提升到全新水平。 如今市場上有多種使用不同推進系統的汽車，包括僅由內燃機 (ICE) 提供動力的汽車、結合使用內燃機和電力系統的混合動力汽車 (xHEV) 和純電動汽車 (xEV)。xHEV 包括兩種不同類型的汽車，分別為輕度混合動力電動汽車 (MHEV) 和全混合動力電動汽車 (FHEV)。 MHEV 主要依靠內燃機，同時集成了一個小型電池（通常為 48V）。但是，MHEV 無法僅依靠電力行駛，電動機旨在幫助適度降低油耗。 相比之下，FHEV 具有更強的靈活性，因為它可以無縫結合使用內燃機和電動機，其中電動機由電池供電（通常工作電壓范圍為 100-300 V）。FHEV 還可以利用制動能量回收技術為電池充電，利用制動過程中捕獲的能量來提高效率。 所有 xEV，包括插電式混合動力電動汽車和純電池電動汽車 (BEV)，都配備再生制動系統。然而，由于具有較大的電池容量，這些汽車在很大程度上依賴車載充電器進行充電。 
圖 1：如今存在多種多樣的電動汽車，包括 MHEV、FHEV、PHEV 和 BEV 最簡單的充電方式差不多就是通過線纜將電動汽車車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 1.2 kW，充電一小時只能增加 5 英里的里程 。2 級系統（或 SAE AC 2 級）通常使用電網的多相交流供電，最常見于公共建筑和商業設施。功率最高可達 22 kW，充電一小時可以增加 90 英里的里程。 無論是 1 級還是 2 級充電器，都是為電動汽車提供交流電，因此車載充電器是將交流輸入轉換為直流輸出來為電池充電的關鍵。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，而無需車載充電器。這些直流充電樁的功率范圍從 50 kW 到超過 350 kW，可以在大約 15-20 分鐘內充電至電池容量的 80%。考慮到高功率水平和需要對電網基礎設施進行改造，盡管快速充電站的數量正在迅速增加，但仍然相對有限。 許多汽車制造商目前正在將 400V 電池改為 800V 電池。這種轉變旨在通過提高系統效率、提升性能、加快充電速度和減輕線纜和電池重量來延長電動汽車的續航里程。 車載充電器分析 車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 級生成調節的總線電壓。 過去幾年中，市場對雙向系統的需求顯著增加。雙向系統讓電動汽車能夠提供從電池到電源的反向功率流，以支持各種用途，例如動態平衡電網負載（V2G：車輛到電網）或管理電網停電（V2L：車輛到負載）。 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，通過并聯多個轉換器級，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，如超結 MOSFET 和低 Vf 二極管。 隨著寬禁帶 (WBG) 功率開關的出現，特別是 SiC 功率開關，新的設計方法得以實現。這類功率開關具有較低的開關損耗、較低的 RDS(on) 和低反向恢復體二極管優勢。 在中高功率的功率因子校正應用（通常為 6.6 kW 及以上）中，無橋圖騰柱拓撲變得越來越普及。如圖 2 所示，在這種拓撲中，慢橋臂 (Q5-Q6) 以電網頻率 (50-60 Hz) 開關，而快橋臂 (Q1-Q4) 則會進行電流整形和升壓，并在硬開關模式下以更高頻率（通常為 65-110 kHz）運行。盡管無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，諧振轉換器，特別是 LLC 和 CLLC，因其具備多項優勢而受到廣泛關注，具體優勢包括寬軟開關工作范圍、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 車載充電器應用中的 SiC 對于 400 V 電池組，通常首選 SiC 650 V 器件。然而，對于 800 V 結構，由于具有更高的電壓要求，因此需要使用額定電壓為 1200 V 的器件。 車載充電器領域采用 SiC 的原因是其各項品質因數 (FOM) 表現出色。SiC 在單位面積的具體 RDS(on)、開關損耗、反向恢復二極管和擊穿電壓方面具備優勢。這些優勢使得基于 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，可以實現更高效、更輕量的設計。因此，系統可以實現更高的功率水平（最高可達 22 kW），而這是使用基于硅的傳統方案（如 IGBT 或超結）難以實現的。 雖然電動汽車采用更高功率的車載充電器可能不會直接影響汽車的續航里程，但它能夠顯著縮短充電時間，有助于解決續航焦慮問題。為了實現更快的充電速度，車載充電器的功率正在不斷提高。SiC 技術發揮著至關重要的作用，使這些系統變得更加高效，確保高效地轉換電網電力，避免能源浪費。該技術使人們能夠設計更緊湊、輕量和可靠的車載充電器系統。 |
