日前，特斯拉在上海又發(fā)生了一起自然事故，目前事故原因還未確定，但專家們不約而同的分析與電池管理或充電有關。本篇文章就來了解一下插電式電動車的充電方式及架構，了解應該從何處入手解決充電安全問題。

目前，電動車的充電方式主要分三種：非車載充電機(off-board charger)， 安裝在電動汽車車體外,將交流電能變換為直流電能;車載充電機(on-board charger)，固定安裝在電動汽車上運行,將交流電能變換為直流電能;交流充電樁AC charging spot，采用傳導方式為具有車載充電裝置的電動汽車提供交流電源的專用供電裝置。

如圖，交流車載充電的好處是節(jié)省充電樁成本，更加靈活方便，但是充電功率低，同時增加了車身重量和設計復雜度。而直流充電則可輸出更大功率的電流，從而實現(xiàn)超級快充。

交流充電樁或車載充電機一般為3.5KW、7KW 、15KW功率的充電，而直流充電最小支持為20kW，一般規(guī)格有30KW、60KW、80KW、120KW、150KW、180KW等。

板載3.3 kW充電器可以在PHEV中為耗盡的16 kWh電池組充電，在240 V電源下大約4小時內充電至95%。

對于交流充電站來說，汽車工程師協(xié)會(SAE)設立了標準，分別為：

1級EVSE(通常為住宅充電器)使用家用120 VAC / 230 VAC電源，可提供12 A至16 A范圍內的電流，并可在12至17小時內完成24 kWH電池的充電。

2級EVSE(通常用于商業(yè)場所，如商場，辦公室等)使用多相240 VAC電源為更強大的車載充電器供電，電流在15 A和80 A之間，為24 kWH電池充電大約八個小時。

3級直流充電樁：這種類型的充電站使用外部充電器直接向車輛電池提供高達400 A的高壓(300 V-750 V)直流電。

3級直流充電樁由于是直流供電，不需要板載充電控制，輸出電流功率更大，典型的24 kWH電池的充電時間不到30分鐘。

根據(jù)國際電工委員會(IEC)模式定義(IEC 62196標準)的定義，則有四種充電模式：

模式1 - 從常規(guī)電源插座(單相或三相)緩慢充電。

模式2 - 從普通電源插座緩慢充電，但配備EV專用保護裝置。

?模式3 - 使用具有控制和保護功能的特定EV多針插座進行慢速或快速充電(根據(jù)SAE J1772和IEC 62196標準)。

?模式4 - 使用特殊充電器技術(如Charge de Move(CHAdeMO))快速充電。

此外，還有四種插頭類型：

?Type 1 - SAE J1772-2009汽車插頭規(guī)格的單相車輛耦合器。

?Type 2 - VDE-AR-E 2623-2-2插頭規(guī)格的單相和三相車輛耦合器。

?Type 3 - 單相和三相車輛耦合器，配備安全百葉窗，是EV插頭聯(lián)盟的提案。

?Type 4 - 用于特殊系統(tǒng)(如CHAdeMO)的快速充電耦合器。

安全規(guī)范和標準

車載和車外充電器都需要遵守地區(qū)政府和公用事業(yè)委員會規(guī)定的各種規(guī)范，具體取決于部署地點。一般而言，這些是強制要求的關鍵安全和操作要求，具體包括：

?電磁兼容性(EMC)發(fā)射和抗擾度(美國：聯(lián)邦通信委員會第15部分A類;歐盟(EU)歐洲標準(EN)：EN 55011，EN 55022和IEC 61000-4)。

?效率(96%及以上)。

?諧波電流總諧波失真(iTHD)<7%(符合電氣和電子工程師協(xié)會[IEEE] 519要求)。

?機箱保護(例如IP54)。

?連接器類型(CHAdeMO，組合充電系統(tǒng)(CCS)1(SAE J1772組合)，CCS2(IEC 61851-23)，國標標準GB / T等。

?安全合規(guī)性(在美國包括：Underwriters Laboratories(UL)2202，UL 2231-1和UL 2231-2。在歐洲：IEC 62196，IEC 61851，ConformitéEuropéene(CE))。

系統(tǒng)級充電站探討

如圖所示，此為2級商用充電樁的典型示意圖，包括轉換、控制、監(jiān)測、通信、接口等功能。

AC充電站和DC充電站之間的主要區(qū)別在于存在功率因數(shù)校正(PFC)和DC-DC的，如下圖所示。PFC確保輸入電流與電網(wǎng)電壓同相，從而提高電網(wǎng)的整體功率因數(shù)。通常，多級AC/DC級需要來自電網(wǎng)的多相交流電并將其轉換為高壓直流電。第二級DC / DC可以產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電，以便傳輸?shù)紼V，從而繞過板載充電器。

有源PFC功率級存在各種功率級架構：最常用的兩種是單相架構和三相架構。[!--empirenews.page--]

EVSE和板載充電器中的電源架構

如上所述，不同的充電水平會影響車載充電器或EVSE的額定功率。因此，這將電力電子器件分別分為單相輸入架構和三相輸入架構，其中最大的影響在于PFC電路。

單相架構

PFC是車載充電器/ EVSE的第一步。PFC的目的是將輸入電流轉換為接近與電網(wǎng)電壓同相的正弦波形，從而減少諧波注入電網(wǎng)并提高功率因數(shù)，以符合各種國際標準。PFC產(chǎn)生調節(jié)的輸出電壓以供應下游DC/DC轉換器。

單相輸入架構需要一個單相PFC，它采用一個單相和中性線作為輸入。您可以在此處使用單級升壓PFC或交錯式雙級PFC。單級PFC具有簡單的優(yōu)點，并采用低成本控制器。交錯式拓撲結構有利于輸入與輸出電流紋波降低，從而使電磁干擾(EMI)濾波器設計更容易，可采用更小的存儲元件和更簡單的散熱系統(tǒng)。

單相輸入架構

第一階段是提供電流隔離并輸出的DC/DC轉換器。

第二階段拓撲結構取決于有源元件的能力。您可以選擇各種拓撲結構，包括半橋，硬開關半橋，相移全橋或雙半橋。

其他六個主要子系統(tǒng)包括：

?輔助電源：將線路電壓輸入轉換為輔助電源軌。包括柵極驅動器，電流感測電路，電壓感測電路和控制器，拓撲通常是隔離的低成本反激拓撲。

?隔離式柵極驅動器：集成了數(shù)字隔離器和傳統(tǒng)柵極驅動器。它接受來自低壓側DC/DC控制器集成電路的低功率輸入，并為高壓側的高功率晶體管的柵極產(chǎn)生高電流驅動輸入。它還可以集成多種安全功能，如過流保護，米勒鉗位等。

?非隔離柵極驅動器：因為在傳統(tǒng)的連續(xù)導通模式升壓架構中，PFC控制器與PFC功率級具有相同的地。最近有一種趨勢是向無橋架構發(fā)展，例如采用圖騰柱PFC，從而取消了傳統(tǒng)的二極管橋，隔離柵極驅動器在PFC中變得越來越流行。

?電壓檢測：利用電阻分壓器可對電壓實現(xiàn)檢測，但需要注意采取足夠的隔離手段。

?電流檢測：負責監(jiān)控DC/DC轉換器輸入和輸出電流的大小和方向，可以使用霍爾傳感器的間接電流檢測，也可以使用分流電阻的直流檢測。

?信號隔離：可在兩個具有不同接地電位的系統(tǒng)之間提供電流隔離。它允許來自位于低壓側的MCU的高速通信信號和位于高壓側的DC/DC控制器或PFC控制器進行通信。

三相架構

更高的功率輸出需要在電網(wǎng)處具有三相輸入源。為了在最小化導體體積的同時最大化功率傳輸，電網(wǎng)通常以三相方式提供公用電力。

如圖所示，三個單相模塊可以簡單地組合成三相輸出，所有子系統(tǒng)的要求都與單相輸入板載或EVSE充電類似。

雖然這種結構可能需要增加功率晶體管和傳感電路，但它可以減少電流紋波和濾波工作。因此，您可以使用較小的較小的組件，這種模塊化組合也減少了PFC和DC / DC控制資源，通過單獨的模擬控制器可降低成本并降低中央MCU的控制復雜度。

上圖則是另外一種三相架構，這里流行的PFC拓撲結構是三相有源電橋，或維也納整流器。在這種情況下，下方的DC/DC轉換器必須可以在大約700 V電壓下工作，或者串聯(lián)使用降低電壓。

此外，控制算法變得更加復雜，這需要更強大的MCU設計。

此外，還使用一個MCU控制PFC(例如TI的C2000 TMS320F28069 Piccolo MCU)和DC/DC控制器(例如TI的C2000 TMS320F28035 Piccolo MCU)。與單相模塊化方法不同，需要具有高浮動電壓能力的隔離柵極驅動器或半橋柵極驅動器來驅動PFC級。在圖中，當實現(xiàn)傳統(tǒng)的升壓架構時，可以使用非隔離柵極驅動器，因為PFC功率晶體管都位于低側。

完整的板載充電器

下圖顯示了基于模擬控制的板載充電器電源架構，額定功率高達3.3 kW。它接受來自交流電網(wǎng)的85-265V的通用輸入電壓，輸出直流電壓范圍為200 V至450 V，最大值為16 A.它包括一個帶PFC的交錯式AC/DC轉換器，以及脈沖寬度調制(PWM)模擬控制的相移全橋DC/DC轉換器。 DC / DC轉換器在零電壓開關(ZVS)條件下工作，以提高效率和功率密度。

交錯式PFC由兩個并聯(lián)的升壓轉換器組成，并且相位相差180度。

在此實施方案中，一個3.3 kW PFC分為兩個1.65 kW PFC級，使用更多(但更小)的組件以獲得更好的熱量分布。由于電感的電流是異相的，因此它們可以相互抵消并降低紋波。所有這些優(yōu)點都可以實現(xiàn)更高的功率和更高密度的設計。其他交錯的優(yōu)點還包括易于擴展到更高的功率和更小的尺寸。

PFC的框圖包括：

?EMI濾波器：旨在降低差模和共模噪聲，以符合EMC監(jiān)管標準。它可以抑制可能導致其他設備故障的EMI。

它還可以保護下游電力電子設備免受浪涌尖峰和浪涌電流的影響。

?交流電壓輸入檢測：可以讀取輸入均方根電壓，該信息對于MCU在輸入電壓低于欠壓閾值時限制輸入電流并執(zhí)行過壓保護非常重要。

?交錯式PFC：由TI的UCC28070-Q1等模擬控制器控制。該控制器包含多項創(chuàng)新，包括電流合成和量化電壓前饋，以提高功率因數(shù)、效率、THD和瞬態(tài)響應的性能。

?低功率柵極驅動器，接受來自PFC控制器的低功率輸入，并為TI UCC27524A-Q1等高功率晶體管的柵極提供高電流驅動輸入。該驅動器能夠提供5A源和5A高峰流入柵極的電流，以及軌到軌的輸出和非常小的傳播延遲(通常為13 ns)。

?單向輔助電源：由TI的UCC28700-Q1等PWM控制器控制。可以將高壓轉換而來

400 V輸入降至多個低壓軌。它為PFC側和DC/DC轉換器側提供偏置電源。典型值包括用于驅動MOSFET的12 V，用于驅動隔離柵極驅動器的16V，以及用于驅動LDO的6.5V。

?電壓和電流傳感器：由交錯式PFC控制器直接完成，電阻分壓器執(zhí)行電壓檢測，電流檢測變壓器執(zhí)行電流檢測。

次級側具有二極管整流的相移全橋拓撲被用作DC / DC，具體包括：

隔離電壓檢測：位于DC / DC轉換器的輸入端，通過隔離放大器(如TI的AMC1311-Q1)執(zhí)行。隔離電流檢測放置在DC / DC轉換器的輸出端，通過隔離放大器(如TI的AMC1301-Q1)和運算放大器(如TI的OPA376-Q1)執(zhí)行。 AMC1301-Q1可精確讀取電流輸入并將其轉換為差分輸出，運算放大器將差分輸出轉換為單個輸出。

溫度傳感器：LMT87-Q1靠近功率晶體管放置，以便在功率晶體管工作期間保持功率晶體管的健康。檢查外殼或內部溫度(取決于傳感器的位置)從而提供過溫保護。

?隔離式柵極驅動器：可以是單通道，如TI的ISO5451-Q1，也可以是隔離的雙通道，如TI的UCC21520-Q1。它接受來自低壓側DC / DC控制器IC的低功率輸入并為高壓側MOSFET的柵極產(chǎn)生一個高電流驅動。

?DC/DC轉換器：從PFC獲取輸出并將其轉換為嚴格遵循電池充電曲線的專用DC輸出。相移全橋控制器(如TI的UCC28951-Q1)可驅動初級側的所有MOSFET。相移全橋拓撲結構具有ZVS的主要優(yōu)點，顯著提高效率和低EMI。

?MCU：用于監(jiān)控系統(tǒng)的整體狀態(tài)。它產(chǎn)生輸出電壓和電流基準，用于控制DC / DC控制器的電壓和電流環(huán)控制。它還可讀取溫度，控制風扇以及與液晶顯示屏(LCD)和用戶界面的接口。此外，數(shù)字化接口通過CAN硬件接口與車輛中的其他MCU進行通信。