电动汽车充电难，这道难题如何解？TI的答案是……
最新更新时间：2021-04-14
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在新能源车中，纯电动汽车占据着相当大的比例，为了支撑这一高速增长的市场，配套基础设施的建设当然不能拖后腿。如何让电动汽车的充电，能够像人们习以为常的内燃机汽车加注燃油那么方便、快捷，也就成了整个新能源车行业心心念的一个话题。
想解决这个难题，就先得搞明白电动汽车是如何充电的。大家都知道，充电汽车通常是通过充电桩或充电站进行充电的，这种充电基础设施也被称为电动车辆服务设备（EVSE）。充电的方式可以分成两种类型：交流充电和直流充电。
交流充电是将电网中的交流电连接到车辆内部的车载充电器（OBC），由OBC将交流电通过内置的AC/DC和DC/DC电路转换为高压直流电，为车辆动力电池包充电。而直流充电则需要在充电桩内完成对电网中交流电的AC/DC和DC/DC功率转换，然后绕过（Bypass）车辆内部的OBC直接连接到电池进行充电，由于这些转换器无需安装在车辆内部，因此可以设计成高功率电平，从而实现更快速地充电。
图1：电动汽车交流充电和直流充电架构（图源：TI）
这两类充电方式根据充电功率的大小，又被分为三级，级别越高意味着充电功率越大，充电速度越快。具体来讲：
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第1级：通常是指从民用住宅中取电的交流充电，供电电压为120VAC/230VAC，充电电流在12A至16A，充满一个24kWH的电池大概需要12-17小时。
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第2级：主要的应用场景是通过布设在商业设施中（如购物中心）的交流充电桩，以多相240VAC的交流电进行充电，充电电流可达15A至80A，充满一个24kWH的电池需要8个小时左右。
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第3级：与前两级的交流充电不同，第3级EVSE使用的是直流充电，这种方案可以从直流充电桩直接输出300V至750V的高压直流电，以高达400A的电流向车载动力电池充电，由于充电功率大幅提升，所以充满24kWH容量的电池用不到30分钟，这也就是大家津津乐道的所谓电动汽车“快充”技术。
图2：EVSE三种充电等级之间的比较（图源：TI）
今天，围绕着如何实现更快速地充电，如何改善电动汽车用户的体验，人们正在不断探索各种技术路径，在其中三级快速直流充电桩的设计就是其中的一个焦点。
图3：快速直流充电桩的系统框图（图源：TI）
那么设计开发一个快充直流充电桩，需要哪些关键技术呢？我们一起来梳理一下。
图4：典型的三相交流输入直流充电桩拓扑（图源：TI）
图4是一个典型的三相交流输入的直流充电桩拓扑结构，其中我们可以看到几个关键的部分。
首先是功率转换部分，其中包括将电网交流电转换为直流电的三相PFC功率级，以及下游的DC/DC转换模块，以获得电池充电所需的高压直流电。高电压和高能效是对功率转换电路的核心诉求。为了实现这两个目标，就需要为功率级选择合适的拓扑结构和元器件，因此兼具高效率和高压特性的碳化硅（SiC）MOSFET被越来越多地采用，它们效率高，且能够支持转换器在更高电压下工作，这样一方面可以确保更高的充电功率，另一方面在相同功率下可以减少所需电流量，以使用更少的铜线缆，从而实现更高的功率密度。
其次，在图4中我们还可以看到，为了对两个功率级进行精确的控制，还需要有相应的MCU。为了提升系统整体的效率和性能，在直流充电桩的设计时会引入一些创新的电源拓扑，比如在PFC功率级中采用的Vienna整流器架构，而这些架构需要具有更高性能的实时MCU来提供快速且精确的感应、减小延迟的专业化处理、精确的可配置驱动等特性。
再有，在MCU和功率级电路之间，还需要栅极驱动器与IGBT、SiC MOSFET等功率器件配合使用。而在直流充电桩这样的直流高压系统中，高质量增强隔离必不可少，因此隔离式栅极驱动器就成了标配，它们可以提供基本隔离、功能隔离和增强型隔离，防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流从电网中流出，同时通过来自MCU的低功率输入，为 IGBT、SiC MOSFET等电源开关生成合适的高电流栅极驱动。
此外，我们还可以看到，在直流充电桩系统中，还需要一些辅助电源、通信接口和控制、HMI人机交互等方面的技术。所有这些技术有机整合在一起，才能够完成一个完整的系统开发，这并不是一件简单的工作。
Texas Instruments (TI) 一直致力于为EVSE客户提供先进的技术和方案支持，特别是能够符合第3级高功率充电桩设计规范要求的整体解决方案。为此，TI在多个产品线上也在加速迭代，以提供更适合快速充电桩要求的产品。
比如在功率级的数字控制方面，TI的C2000实时控制器就是一个非常合适的方案，该高性能微控制器产品系列，专门用于控制电力电子产品，提供超短的延迟、精密感应、强大的处理和高级驱动，以实现高效的电源控制。
TMS320F28004x就是C2000实时控制器家族中非常适合充电桩应用的产品，它将关键的控制外设、不同的模拟和非易失性内存集成在单个器件上，实时控制子系统基于TI 32位C28x CPU，该CPU可提供100MHz的信号处理性能。全新TMU扩展指令集进一步提升了C28x CPU的性能，可快速执行三角运算的算法（转换和扭矩环路计算中常见），以及VCU-I扩展指令集（减少编码应用中常见的复杂数学运算的延迟）。
TMS320F28004x MCU上还集成有高性能模拟块，进一步提升了系统整合度：三个独立12位ADC可准确、高效地管理多个模拟信号，从而最终提高系统吞吐量；模拟前端上的七个PGA可以在转换之前实现片上电压调节；七个模拟比较器模块可以针对跳闸情况对输入电压电平进行持续监控。
C2000还提供了可配置逻辑块 (CLB)，基于CLB 可以扩充C2000外设并实施自定义逻辑，无需外部的FPGA、CPLD或逻辑部件就可以将关键功能集成到单个C2000 MCU 中。这种独特的“MCU+CPLD”架构，可为客户的保护功能设计提供完美支持。
值得一提的是，C2000系列已经形成了非常丰富的产品组合，可以为开发者探索不同的电源拓扑架构控制提供极大的灵活性和可扩展性，这对于不断发展的快充充电桩应用大有裨益。
图5：C2000实时控制器系列产品一览（图源：TI）
在隔离式栅极驱动器方面，TI的UCC23513值得关注，这是一款光电兼容、单通道、隔离式栅极驱动器，适用于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET。该器件的拉灌峰值输出电流分别为4.5A和5.3A，额定增强隔离值达5.7KVRMS，电源电压范围高达33V，可驱动低侧和高侧功率FET。
UCC23513输入级是一个模拟二极管（ediode），这意味着与传统LED相比，其可靠性更持久，耐老化性能也更出色。该器件的其他性能还包括高共模瞬态抗扰度（CMTI）、低传播延迟和较小脉冲宽度失真，以及严格的工艺控制下较小的部件间性能偏移。可以说，与基于标准光耦合器的栅极驱动器相比，其关键功能和特性以及可靠性都有显著提升，特别是该器件的工作温度较高，因此能够用于传统光电耦合器不支持的应用。
图6：隔离式栅极驱动器UCC23513（图源：TI）
在直流充电桩整体解决方案中，另一个值得推荐的TI产品是ISO672xB/ISO672xB-Q1数字隔离器，这是一个高性能双通道数字隔离器，可提供符合UL 1577的3000VRMS隔离额定值，还通过了VDE、TUV、CSA和CQC认证。
该器件每条隔离通道的逻辑输入和输出缓冲器均由TI的双电容二氧化硅（SiO2）绝缘栅相隔离。在隔离CMOS或LVCMOS数字I/O的同时，ISO672xB可提供高电磁抗扰度和低辐射，同时具备低功耗特性。这些器件与隔离式电源结合使用，有助于防止UART、SPI、RS-485、RS-232和CAN等数据总线损坏敏感电路，增强的电磁兼容性可缓解系统级ESD、EFT和浪涌问题并符合辐射标准要求。
图7：ISO672xB/ISO672xB-Q1数字隔离器（图源：TI）
最后，还有一个TI新近推出的隔离接口产品很值得推荐——ISO1042是一款符合ISO11898-2 (2016) 标准规格的电隔离CAN收发器，与隔离式电源一起使用，可提供高压保护并防止总线的噪声电流进入本地接地。该器件具有±70VDC总线故障保护功能和±30V共模电压范围，在CAN FD模式下最高支持5Mbps数据速率。由于采用了SiO2绝缘隔栅，ISO1042可承受5000VRMS的电压，工作电压为1060VRMS。由于该器件的电磁兼容特性得到了显著增强，可确保提供系统级ESD、EFT和浪涌保护并符合辐射标准。
图7：ISO1042隔离式CAN收发器（图源：TI）
随着电动汽车市场的发展，充电基础设施的建设也会加快步伐，在中国推出的“新基建”蓝图中，充电桩就是七大核心领域之一，其重要性和战略意义由此可见一斑。而充电桩的开发，特别是具有快充特性的直流充电桩的开发，不仅需要有深厚的技术积累，还需要跟得上技术产品快速迭代升级的步伐，是个不小的挑战。TI提供的丰富的产品组合和直流充电桩整体解决方案，无疑会为加速这个开发进程提供助力。
以上几个产品，只是TI的直流充电桩解决方案中几个比较有代表性的案例，获取其他更多的产品及完整的解决方案信息，贸泽电子的网站可为你提供第一手的技术资讯。快来看看吧：
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