在人类交通运输的宏伟计划中，电动汽车 (EV) 是一个相对较新的发展。在很大程度上，电动汽车和电动汽车充电技术是同步发展的。然而，为了使电动汽车真正成为主流，充电技术需要变得更快。本文探讨了电动汽车充电硬件的构成模块，以及 STMicro 的新解决方案可以怎样帮助下一代创新。
了解电动汽车的充电技术
随着我们进入新的十年，汽车设计工程师发现他们正处于一个非常令人兴奋的技术融合之中。电池技术已发展到可以开发电动汽车并存储大量能量的程度，以便将车内乘客从 A 点带到 B 点，同时提供令人兴奋且熟悉的驾驶体验。与此同时，半导体技术提供了越来越高的测量精度，并被融入到当今的电池管理系统 (BMS) 中，而下一代开关技术使我们能够在车辆行驶时让能量流向轮胎，在充电时让能量流向电池，从而在电源转换系统中实现最后几个百分点的效率提升。这确保了比以前更多的能源能够发挥有益作用。
英国车队管理人员表示，尽管随着电动汽车 (BEV) 的成熟，电池容量有所增长，但续航里程焦虑仍然是电动汽车普及的最大障碍。80% 的人表示这是他们最关心的问题，导致他们只考虑为车队中的某些司机提供纯电动汽车。此外，41% 的受访者表示充电基础设施是一个有待解决的问题，尽管只有 3% 的充电发生在道路上（而 60% 的充电发生在工作场所，30% 的充电在家中）。
然而，与实际用户交谈后却发现情况不同。司机们描述了他们驾驶电动汽车在城市之间进行长途旅行的情况，他们也并不比驾驶内燃机 (ICE) 汽车时更关心是否能到达目的地。高速充电站网络确保大部分电池能够在合理的时间内得到充电，这个时间与使用超快速直流充电器在加油站加油的时间相当。当然，汽车制造商会将行程规划器集成到他们的导航系统中，以确保在所选路线和行程时间中反映出充电所需的时间和地点。
纯电动汽车充电现状
正如已经强调的，许多纯电动汽车都是在车主在家或上班时充电。许多纯电动汽车都是当车主在家或上班时在停车位充电。这确保了充电可以在没有任何时间压力的情况下进行，这意味着可以使用标准交流电源插座为车辆充电（图 1）。此类充电解决方案属于美国汽车工程师协会 (SAE) 电动汽车供电设备 (EVSE) 分类的 1 级。该解决方案包括集成在车辆中的 AC/DC 转换器，确保产生正确的直流电压为电池充电，同时监控故障以保护车辆。这些通常被称为车载充电器 (OBC)。这是指单相 120 VAC 能够提供高达 16 A (<2 kw)="" 的电流。假设使用家用插座，这意味着="" 35="" kwh="">
图 1：插电式 HEV 和 BEV 充电选项分为交流车载充电器和非车载直流充电器
2 级解决方案使用单相 240 VAC 电源，可提供高达 80 A (< 20="" kw)="">
要提供超出此水平的功率，则需要转向直流充电。在这里，输入的交流电在一种称为充电桩的固定解决方案中转换为直流电，其设计类似于燃油泵，可在 400 A（最大 400 kW）下提供高达 1000 VDC 的电压。在这些功率水平下，电池系统接受可用电量的能力成为限制因素，因此中型家用车可以以 50 kW 的功率充电，每半小时行驶 90 英里（144 公里）。
覆盖北美市场的 SAE J1772《电动汽车和插电式混合动力汽车传导式充电接口》和 SAE J3068《使用三相耦合器的电动汽车电力传输系统》标准都介绍了所有这些标准化方法。这也定义了该市场使用的电连接器“J 型插头”。
当然，充电解决方案供应商更希望有一个单一的规范，可以根据该规范来设计、制造和测试 BEV 充电器。这不仅应涵盖支持的电压和功率，还包括用于检测车辆电池需求和支持计费的连接器和通信接口。
为了满足这一需求，CharIN e. V. 集团的组合充电系统 (CSS) 规范涵盖了直流和交流充电方法，该规范是一项鼓励全球通用充电系统的开放标准。这涵盖了所有现有标准，包括上述标准以及 IEC 61851 和 IEC 62196。这也导致了所用连接器的标准化。北美地区围绕类型 1 和 Combo 1 系统统一，而欧洲则选择了类型 2 和 Combo 2 系统，其插头/插座分别提供仅交流电和交流/直流支持。
CSS 仍在积极开发中，该组织正在就无线充电、商用车高功率充电（HPCCV）和用于车身底部连接解决方案的自动连接设备（ACD）等主题展开联系。
其他地区和供应商采取了不同的方法。日本汽车供应商已经定义了自己的CHAdeMO系统，而中国普遍使用的则是GB/T系统。一些汽车制造商拥有自己的专有系统。
实施快速直流充电
如果要让我们的 BEV 充电像现有车辆加油一样顺畅和简单，那快速直流充电器就需要提供很大功率。反过来，这也要求他们配备合适的三相电源才能实现这一点。这种最高性能级别的 BEV 充电器很可能设在高速公路服务站，在长途旅行沿线提供所需的快速充电。目前市场上性能最佳的 BEV 使用 150 kW 直流充电器仅需 33 分钟即可充电至 80%（最大续航里程为 420 公里），而且这种类型的充电器的规定上限为 350 kW，因此仍有可能实现更快的速度。
在这些功率水平下，效率将是关键，而且挑战也不容小觑。不仅电气系统中的损耗会很大，而且充电柱和车辆之间电缆中的损耗也会很大。这甚至可能需要从充电器到插头的液体冷却，这需要在整体设计中考虑到。
快速直流充电器通常以两种方式之一实现，这两种方式均利用 AC/DC 级，然后是 DC/DC 转换器。第一种方式接收输入的三相交流电并将其转换为固定的直流电压（大约 800 V），然后由 DC/DC 转换器级来设置输出，以满足集成在车辆上的电池的需求。在第二种方式中，AC/DC 级协商车辆所需的电压，从而产生由 DC/DC 转换器使用的可变 DC 输出（图 2）。这两种方式都没有相对于彼此的明显优势；相反，关键在于每级的实施，特别是注重最高效率。完整的充电装置由多个子装置组成，这些子装置组合起来提供目标充电功率。这简化了施工，确保了一个子单元发生故障时充电桩仍能继续运行，并使维修和升级更简单。
图 2：快速直流充电器设计架构，具有固定或可变电压直流链路
对于 AC/DC 阶段，可以考虑一系列提供卓越效率的拓扑结构，但用于整流和功率因数校正 (PFC) 的 Vienna 整流器是强有力的竞争者。如果需要，它还可以产生可变的输出电压。这种设计非常稳健，即使在故障条件下，也能够在失去一个相的情况下维持输出。如果开关控制电路出现故障，也不会发生短路的风险。三级脉冲宽度调制 (PWM) 设计可以通过输入路径中的两个二极管（类型 1）或单个二极管（类型 2）来实现。
类型 1 方式仅需要额定电压为 650 V 的设备，从而降低了所选开关的总体成本，但由于主电流路径中有两个二极管，因此最大效率会受到影响。相比之下，类型 2 设计可以通过单二极管设计实现更高的效率，但这需要使用 1200 V 二极管（图 3）。这可能迫使选择碳化硅（SiC）技术，这将影响总体成本。
图 3：Vienna 整流器因其作为 PFC 和 AC 整流器的高效率和稳健性而出名
在 2 型设计中，STBR6012W 等二极管非常适合。它是一种硅 (Si) 器件，支持 1200 V 的重复反向电压 (VRRM) 和 60 A 的平均正向电流 (IF(AV))。它采用 ECOPACK ™ 封装来满足环境要求，DO-247封装外形很容易就能适应被动和主动冷却设计。还可以考虑1200 V STPSC40H12C SiC 功率肖特基二极管。它采用 TO-247 LL 封装，提供 2 x 20 A 的 IF(AV)。得益于 SiC 的温度稳定性，它的开关特性保持非常一致，而高的正向浪涌能力在瞬态阶段也很理想。
该开关可使用高速 HB 系列 IGBT（STGW40H65DFB-4）来实现，由于开尔文引脚分离了电源路径和驱动信号，因此可提供更快的开关速度。或者，也可以使用采用 MDmesh™ 技术的 650 V M5 系列功率 MOSFET。这种创新的垂直工艺降低了导通电阻，非常适合此处要求的高功率和高效率目标。最后，SiC 650 V 功率 MOSFET（例如 SCTW90N65G2V-4）具有 18mΩ RDS(on)，可以在 100°C 时轻松处理 90 A 的漏极电流。
这些方案可以在 20 kHz 的开关频率下提供高达 99.4% 的峰值效率（在 125°C 的温度下模拟，仅半导体损耗），从而微弱地击败了类型 1 Vienna 方法（图 4），这是因为主电流路径中有单个二极管。
图 4：模拟表明，SiC MOSFET 在 2 型 Vienna 设计中提供最高效率。
其他方法包括使用三个单相 PFC 增强器，或图腾柱 PFC 设计（图 5）。单相增压器简洁优雅，在 230 VAC 的输入电压下能够在 1200 W 时达到 98% 以上的效率。输入的交流电使用整流器 (STBRxx12W) 或晶闸管 (SCR) 进行整流，然后供给开关、电感器和二极管。SiC MOSFET 和二极管提供了最佳组合，为所涉及的高直流链路电压提供了必要的 1200 V 工作电压。可以使用连续电流模式 PFC 控制器 (STNRGPF01) 来实现控制，或者，如果需要更智能，则可以使用 STM32 微控制器来实现控制。
Totem Pole PFC 在控制方面更为要求严格，需要有微控制器，特别是在实现 MOSFET 或 SCR 引脚而不仅仅是二极管时。MCU（STM32 或 SPC58）可与 STGAP2S 耦合，STGAP2S 是一款 4 A 轨到轨单栅极驱动器，具有 80 ns 的传播延迟，可实现高 PWM 控制精度。它还提供了米勒钳位功能，以防止快速换向期间的栅极尖峰。
图 5：AC/DC 级的替代方法包括 Booster PFC（左）和 Totem Pole PFC（右 – 无继电器的 SCR） 的变体
DC/DC级
直流链路电压传递到 DC/DC 级。一种方法可能是使用谐振LLC转换器。零电压开关 (ZVS) 的额外实现有助于提高其已知的出色效率，并提供高功率密度。这种方法支持可变直流链路电源，并将其中一个初级侧电感器集成到还提供电流隔离的变压器。从这里，通常可以达到 200 V 至 500 V 范围内的电池电压。
或者，可以考虑使用具有双向LLC的双有源桥（DAB）。越来越多的“车辆到电网”(V2G) 或“车辆到建筑物”(V2B) 被吹捧为在高峰用电或停电时刻利用大量 BEV 电池为电网进行补充的一种方式。这种拓扑结构在中等功率直流充电器中更有意义，这些充电器在一天中为停车场的 BEV 充电。
前面提到的 MCU（STM32或SPC58）和隔离式驱动器件也非常适合用于系统控制和作为开关驱动器。由于其低 RDS（on），SiC MOSFET（600 V 或 1200 V，具体取决于目标输出电压），适合该 DC/DC 级，坚固耐用，适用于紧凑型设计。谐振 LLC 然后可以利用 ZVS 配置中的 1200 V SiC 二极管，或使用软的超快 600 V 恢复二极管，例如可提供高结温能力和低反向电流和热阻的 STTH30RQ06。
STMicroelectronics 正在开发一款 7 kW 充电器评估板，可与另外两块相同设计的板堆叠，以演示 21 kW 直流充电解决方案（图 6）。这种特殊设计基于使用 SiC MOSFET 的交错式图腾柱 PFC 和使用 650 V 超结硅 MOSFET 的交错式全桥 LLC DC/DC 转换器（图 7）。车载充电是目标应用之一，因此该板采用汽车级 SPC58 N Line 高性能微控制器。除了在设计上满足 ASIL-D 安全级别，使其成为 BEV 应用的理想选择外，它还支持一系列汽车网络接口。板载硬件安全模块（HSM）还可用于为无线更新（OTA）提供保护和安全性，甚至为充电桩的计费系统提供保护。
图 6：7kW 车载充电器模块展现了 SiC 和硅 MOSFET、驱动器、晶闸管和 SPC58 微控制器技术的能力
图 7：7kW 车载充电器设计原理图，包括 PFC 和交错式 FB LLC
BEV 正在走向成熟，但由于人们认为缺乏充电基础设施和充电时间，因此仍存在来自消费者方面的一些阻力。CharIN 等组织正在召集相关行业专家，以确保制定标准，并让尽可能多的国家签署这些标准。这有助于确保 BEV 充电解决方案的市场规模足够大以实现规模经济。同时，MOSFET 设计的进步以及 SiC 引入到开关和二极管中，使得设计工程师能够设计和实现汽车行业所需的快速直流充电解决方案，同时还能确保达到具有满足挑战性规格的最高效率水平。STMicroelectronics 等合作伙伴不仅提供必要的先进电子 组件，而是通过其评估板，获得对这一激动人心的汽车技术亟需的专业知识和技术见解。