光耦助力提升電動(dòng)汽車充電站的安全與效率

近年來，全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電動(dòng)化得到了飛速發(fā)展。到2012年底，全球電動(dòng)汽車(EV)數(shù)量達(dá)到約18萬輛。據(jù)國際能源署(IEA)的《全球電動(dòng)汽車展望》報(bào)告，這個(gè)數(shù)字在2014年底增長了3.7倍，達(dá)到66.5萬多輛。該報(bào)告還預(yù)測，到2020年將約有2 000萬輛電動(dòng)汽車在道路上行使。

隨著電動(dòng)汽車的快速增長，為延長車輛的行駛里程，人們對充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也隨之“水漲船高”。電動(dòng)汽車充電站，也稱為電動(dòng)汽車供應(yīng)設(shè)備(EVSE)，為電動(dòng)汽車供電，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)互連。在本篇文章當(dāng)中，電動(dòng)汽車(EV)包括充電式電動(dòng)汽車或純電動(dòng)汽車(BEV)、電動(dòng)公交車和插電式混合動(dòng)力車輛(PHEV)。圖1展示了一臺(tái)工作中的電動(dòng)汽車充電站。

圖1 這是電動(dòng)汽車在充電站充電的常見場景

IHS汽車部門預(yù)測;全球電動(dòng)汽車充電站的安裝量將從2014年的100萬個(gè)激增到2020年的1360萬個(gè)。據(jù)這個(gè)市場研究公司估計(jì)：屆時(shí)美洲的安裝量將達(dá)到430萬個(gè);歐洲、中東和非洲(EMEA)地區(qū)的安裝量將達(dá)到 410萬個(gè);亞洲(包括日本)的安裝量將達(dá)到530萬個(gè)。

各國政府如德國、中國和美國都正在逐步將更多的資金用于開發(fā)充電基礎(chǔ)設(shè)施。例如，中國計(jì)劃到2020年建造450萬個(gè)電動(dòng)汽車充電站。據(jù)中國中央政府網(wǎng)站的報(bào)道，這將幫助實(shí)現(xiàn)到2020年將純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力車輛的累計(jì)生產(chǎn)量和銷售量提高到500萬臺(tái)的目標(biāo)?；?014年年底建成31000個(gè)充電站的事實(shí)[注5]，要實(shí)現(xiàn)建造450萬個(gè)充電站的目標(biāo)意味著復(fù)合年增長率(CAGR)需要達(dá)到129%。

充電站標(biāo)準(zhǔn)

在電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施帶來廣闊的市場機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了亟需解決的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是充電系統(tǒng)關(guān)鍵部件缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如充電線、保護(hù)機(jī)制、額定功率、插頭類型、耦合器配置和通信等。與交流慢速充電相比，這些問題在快速充電系統(tǒng)當(dāng)中更為明顯，這是因?yàn)榭焖俪潆娤到y(tǒng)通常安裝在共享的公共或半公共的區(qū)域。顯而易見，系統(tǒng)不兼容會(huì)讓共享變得困難。

國際電工委員會(huì)(IEC)創(chuàng)立了一整套覆蓋電動(dòng)汽車充電的標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC 61851-1：2010 EV適用于以高達(dá)1000 V標(biāo)準(zhǔn)交流電和高達(dá)1500 V直流電給電動(dòng)汽車充電的車載和非車載設(shè)備。IEC 61851-23：2014則規(guī)定了對直流電動(dòng)汽車充電站的要求。此外，IEC 62196-3：2014規(guī)定了對電動(dòng)汽車充電耦合器的特定要求。

在全球范圍內(nèi)，快速充電系統(tǒng)目前面臨著相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)——一個(gè)是日本工業(yè)界采用的CHAdeMO協(xié)議，另一個(gè)是美國和德國汽車制造商,采用的國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)推出的J1772聯(lián)合充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(CCS，又稱“Combo”標(biāo)準(zhǔn))。這些標(biāo)準(zhǔn)在額定功率、耦合器設(shè)計(jì)、及EVSE和EV之間的通信協(xié)議等方面的規(guī)格參數(shù)各不相同。

不過，也有人指出“沒有標(biāo)準(zhǔn)之爭”，這是因?yàn)樗麄兊某潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)將全部功能集成在一起，同時(shí)符合CHAdeMO以及SAE標(biāo)準(zhǔn)。其中一個(gè)例子是ABB公司的Terra 53充電站。另一個(gè)相對較新的競爭性標(biāo)準(zhǔn)是中國近日審批通過的GB / T 20234——修訂版。某些設(shè)計(jì)，如特斯拉的超級充電站，使用專門的充電技術(shù)。

交流還是直流充電?

暫且不論標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，目前主要有兩種方法將電力從車輛外部輸送到車輛內(nèi)部的電池：交流(ac)或直流(dc)。電網(wǎng)通過交流輸電，而存儲(chǔ)在車載電池中的則為直流電。因此，需要充電器來做轉(zhuǎn)換工作。

根據(jù)充電器是安裝在車輛內(nèi)部還是外部，可分為車載充電器(OBC)和非車載充電站。車載充電器接受來自家里以及消費(fèi)者工作場所的主電力供應(yīng)源提供的交流電，并將其轉(zhuǎn)換為直流電以供電池充電。通常情況下，交流充電速度緩慢，這是因?yàn)檫@種充電器允許的額定功率受到限制——這是因?yàn)榭稍试S的重量、空間和成本所造成的。

直流充電法通常用于非車載充電站當(dāng)中。它將直流電直接注入到車輛內(nèi)部的電池。由于直流充電設(shè)備安裝在固定位置，且沒有大小的限制，它的額定功率可高達(dá)數(shù)百千瓦。

圖2 直流快速充電法將充電時(shí)間從小時(shí)級縮短至分鐘級

例如，SAE J1772標(biāo)準(zhǔn)將DC Level 2的規(guī)格提高到100 kW。CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)則將50千瓦看成是最佳的輸出功率，同時(shí)考慮到了在充電站所在地獲取最大功率的成本，以及電池的充電時(shí)間。特斯拉的超級充電站由多個(gè)并行工作的Model S充電器組成，可為電池輸送高達(dá)120千瓦的直流電。這個(gè)充電速度相當(dāng)于在約30分鐘內(nèi)充滿行駛170英里路程所需的電力。直流快速充電法將充電的時(shí)間從小時(shí)級縮短至分鐘級。圖2展示了交流和直流兩種充電方式。下表則列出了在交流和直流充電各自允許的最大充電功率和預(yù)估的充電時(shí)間，以供大家參考。

交流電(ac)和直流電(dc)充電器的充電速度各不相同，兩者對于適應(yīng)電動(dòng)汽車駕駛員的不同生活方式都是至關(guān)重要的。例如，電動(dòng)汽車駕駛員可以在時(shí)間充裕的時(shí)候，比如呆在家里或工作場所的時(shí)候，使用交流電充電。相比之下，直流快速充電可以大大減少充電時(shí)間，以便讓電動(dòng)汽車司機(jī)更快地繼續(xù)他們的旅程?？焖俪潆娛浅晒ν瞥瞿軠p少顧客里程焦慮(特別是長途駕駛)的電動(dòng)汽車的一個(gè)關(guān)鍵因素。

充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全隔離

電動(dòng)汽車充電站的車載電子系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車充電站的所有功能都需要考慮到安全隔離的需求。車載系統(tǒng)包括高壓電池管理系統(tǒng)、dc-dc轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器及車載充電器。對于車載系統(tǒng)而言，光耦合器必須在隔離功能方面具有更好的可靠性和安全性，包括柵極驅(qū)動(dòng)、電流/電壓感應(yīng)和數(shù)字通信等。這篇文章中的討論將集中在適用于非車載充電站設(shè)計(jì)的隔離解決方案，通常工業(yè)級器件就已經(jīng)足夠了。

一般而言，一個(gè)電動(dòng)汽車充電站通常包括的功能塊有AC-DC整流器、功率因數(shù)校正(PFC)和DC-DC轉(zhuǎn)換器，以將電壓調(diào)節(jié)到適合于為車輛電池充電的水平。圖3是一個(gè)直流充電站的功能模塊設(shè)計(jì)簡圖。在高頻隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，電氣隔離功能通過高頻變壓器在dc-dc轉(zhuǎn)換器中提供。此外，多個(gè)隔離設(shè)備提供各種信號隔離功能，同時(shí)在高電壓電和低壓控制器之間保持安全的隔離。在所有的這些部分，MOSFET和IGBT功率器件用于執(zhí)行開關(guān)功能。

圖3　充電控制中心進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行控制指令，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能

位于系統(tǒng)中心的是在微控制單元(MCU)，控制功率因素矯正(PFC)和帶有脈寬調(diào)制(PWM)信號的dc-dc 轉(zhuǎn)換器。充電控制系統(tǒng)根據(jù)電壓、電流的信息和其他數(shù)據(jù)如溫度和用戶輸入等，進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行控制指令，從而實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。數(shù)字通信端口用于EVSE和電動(dòng)汽車充電控制中心之間的通信，之后接入云端，用于報(bào)告充電數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷等。

光耦合器提供電流隔離和高效充電功能

如圖3所示，隔離式安全柵沿著多個(gè)光耦的耦合點(diǎn)形成的線上構(gòu)建。這一點(diǎn)在確保設(shè)計(jì)符合安全監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)方面很重要。除了電氣隔離，在電源轉(zhuǎn)換器中包括EV充電站中電源轉(zhuǎn)換器中需要重點(diǎn)關(guān)注的另外一個(gè)重要因素是電力轉(zhuǎn)換效率。本文介紹了如何使用目錄[注17]中的幾個(gè)光耦，以實(shí)施高效的充電站設(shè)計(jì)，并保證安全隔離。

柵極驅(qū)動(dòng)器

在電動(dòng)汽車充電站當(dāng)中，MCU改變PWM信號，以打開或關(guān)閉MOSFET或IGBT，并調(diào)整每種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以根據(jù)電池充電模式來調(diào)節(jié)輸出電壓/電流。從MCU 輸出的PWM信號通常需要放大，以增加輸出電流，并以希望的頻率切換電子器件。這是通過采用名為“柵極驅(qū)動(dòng)器”的器件來驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT柵極來實(shí)現(xiàn)的。

目前，一些柵極驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商提供一整套的產(chǎn)品組合，包括從基本的柵極驅(qū)動(dòng)器到功能豐富的集成柵極驅(qū)動(dòng)器，以滿足高效驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的設(shè)計(jì)需求。比如，ACPL-W346柵極驅(qū)動(dòng)器提供2.5 A輸出電流、軌到軌的輸出電壓范圍，以及極短的55-ns傳播延遲時(shí)間。這些電氣規(guī)格參數(shù)對于需要保證高電力轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)來說都是必不可少的。這部分封裝在SSO-6小型表面貼裝器件當(dāng)中，按照UL1577標(biāo)準(zhǔn)，每分鐘的額定絕緣電壓為5000 VRMS;按照IEC / EN / DIN EN 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到1140 VPEAK。通過這些標(biāo)準(zhǔn)意味著控制器和用戶的安全將得到保證。

在電動(dòng)汽車充電站的設(shè)計(jì)當(dāng)中，除了選擇最佳的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，選擇先進(jìn)的電力器件和合適的柵極驅(qū)動(dòng)器可以幫助實(shí)現(xiàn)效率目標(biāo)。碳化硅(SiC)的MOSFET迅速出現(xiàn)在商用電力設(shè)備市場上，和傳統(tǒng)的基于硅材料的MOSFET和IGBT相比，它能夠提供幾個(gè)好處。其中一個(gè)好處是減少了開關(guān)損耗，因?yàn)楦邏?SiC MOSFET不會(huì)發(fā)生IGBT當(dāng)中出現(xiàn)的拖尾電流損耗。此外，SiC MOSFET的電流密度高，晶元尺寸小，和硅MOSFET相比，電容更低。因此，可以實(shí)現(xiàn)較高的切換頻率，從而提高系統(tǒng)的效率。

圖4　通過Avago柵級驅(qū)動(dòng)和Cree SiC MosfETs提升效率[!--empirenews.page--]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效率提升是相當(dāng)顯著的。這些設(shè)計(jì)分別采用了配有合適緩沖階的AC PL-W346和ACPL-339J，并與8-A、100-kHzSEPIC dc-dc轉(zhuǎn)換器中的Cree C2M SiC MOSFET協(xié)作。當(dāng)阻斷電壓為600-V的時(shí)候，基于SiC MOSFET的系統(tǒng)要比常規(guī)的基于IGBT的設(shè)計(jì)的效率高4%(圖4)。圖5是使用ACPL-339J驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET 的簡化連接回路。

圖5 這張圖展示了使用ACPL-339J 以驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的簡化連接回路

電壓和電流檢測

電動(dòng)汽車的電池充電主要有以下三種方式：恒定電壓、恒定電流，以及兩者的組合。大多數(shù)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)在充電過程的初始階段使用恒定電壓，然后在最后階段使用恒定電流充電。為有效使用這些充電方法，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和幾個(gè)分路的電流需要進(jìn)行測量并反饋給MCU進(jìn)行計(jì)算，從而相應(yīng)地調(diào)整PWM信號。例如，在圖3中，直流鏈路和充電器輸出的電壓需要進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)測，并確保準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了電壓信息，PFC系統(tǒng)——經(jīng)過輸入和輸出軌中的電力也需要進(jìn)行測量。

不少有關(guān)高效率充電系統(tǒng)的研究將電壓和電流信息作為控制算法和電力計(jì)算中的基本參數(shù)——在這種計(jì)算當(dāng)中信息的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。充電電壓、電流和充電時(shí)間構(gòu)成了充電過程中的能耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為充電費(fèi)用賬單。因此，需要將測量精確度保持在一定的水平。

測量較高電壓的一種常見方法是使用電阻分壓器將電壓降低到一個(gè)適當(dāng)?shù)乃?。然后，線性傳感芯片將測量電壓，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU。電流檢測電路經(jīng)常采用精密分流電阻將電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號，然后通過一些信號調(diào)節(jié)器件發(fā)送給MCU。

然而，將信號從高壓領(lǐng)域如PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)精確傳送到低壓控制器一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是由于在這些兩個(gè)區(qū)域會(huì)發(fā)生較大的切換噪音和接地回路噪音。這些常見的電路問題會(huì)破壞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，損壞MCU，并威脅用戶安全。在這些情況下，隔離放大器如ACPL-C87X和ACPL-C79X系列都能夠很方便地檢測電壓和電流。

圖6這個(gè)回路提供高壓測量功能，可轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的對地參考輸出

使用ACPL-C87X隔離電壓傳感器相當(dāng)簡單。帶有ACPL-C87X的直流電壓感應(yīng)回路請見圖6。假設(shè)VIN的ACPL-C87X額定輸入電壓為2V時(shí)，用戶需要根據(jù) R1 = (VL1-VIN)/VIN × R2來選擇電阻R1。例如，如果 VL1 為600 V，R2為10kΩ，則R1的值為2990 k?。

幾個(gè)電阻可以組合起來以匹配目標(biāo)值。例如，將2MΩ、430kΩ的和560kΩ電阻串聯(lián)起來，電阻恰好等于2990千歐。降低的輸入電壓先通過R2和C1形成的抗混疊濾波器過濾，然后交由ACPL-C87X檢測。隔離差分輸出電壓(VOUT + - VOUT-)經(jīng)由后置放大器(U2)轉(zhuǎn)換為單端信號(VOUT)。VOUT和高壓側(cè)的線電壓呈線性比例關(guān)系，可以安全地與系統(tǒng)微控制器連接。ACPL-C87X的典型增益值為1，總傳遞函數(shù)就是VOUT = VL1/(R1?R2+1)。

使用隔離放大器來檢測電流也很簡單。只要把分流電阻和輸入端相連然后通過隔離柵獲取差分輸出(圖7)。通過使用合適的分流電阻，大小不一的電流——從不到1A到超過100A，都可以進(jìn)行測量。

圖7　通過使用合適的分流電阻，從不到1A到100A+的電流都可以進(jìn)行測量

在操作當(dāng)中，電流流過分流電阻，產(chǎn)生的模擬壓降信號會(huì)被ACPL-C79X檢測到，差分輸出電壓在光隔離柵的另一端形成。該差分輸出電壓和電流振幅成比例，并可以通過運(yùn)算放大器，如圖6中的后置放大器轉(zhuǎn)換為一個(gè)單端信號，或者直接發(fā)送到控制器自帶的的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。

數(shù)字通信

先進(jìn)的控制方案對于實(shí)施充電站和電動(dòng)汽車之間的充電控制協(xié)議是有必要的。這是另一個(gè)容易出現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域。例如，SAE J1772詳細(xì)說明了為AC Level 1 和2使用工作周期調(diào)變手段控制導(dǎo)頻信號通信的方法。對于直流充電所需的數(shù)字通信而言，SAE委員會(huì)正在更新J2931，提出了有關(guān)控制導(dǎo)頻信號或輸電干線(mains)的電力線通信(PLC)計(jì)劃。特斯拉參與了SAE委員會(huì)的這個(gè)工作，并決定使用和SAE J1772一樣的信號控制方案。

最流行的充電標(biāo)準(zhǔn)CHAdeMO(基于快速充電式電動(dòng)汽車的銷量)選擇控制器局域網(wǎng)(CAN)進(jìn)行快速充電。據(jù)日本協(xié)會(huì)的網(wǎng)站顯示，由于直流快速充電器輸入達(dá)到500-V / 100-A，如果出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致致命事故。為此，通信的高可靠性是必需的。該協(xié)會(huì)認(rèn)為CAN作為汽車電子控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信方式已經(jīng)有很長時(shí)間的高可靠記錄。據(jù)報(bào)道，作為電子控制單元(ECU)用于控制充電過程的一種通信方法，其噪聲容忍度超過PLC方法(“常問問題——技術(shù)”)。

CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)提供了一對CAN總線，以將耦合器界面上的充電器和車輛連接起來。耦合器管腳8和9被分別命名為CAN-H和CAN-L(“技術(shù)詳情”[注13])，可讓CAN收發(fā)器連接。

在CAN收發(fā)器和CAN控制器之間添加光隔離功能可顯著提升系統(tǒng)的安全性，因?yàn)楣怦钐峁┑陌踩珫趴梢苑乐箤⑷魏螕p害級聯(lián)到系統(tǒng)MCU。這種配置可提高極高噪音環(huán)境(如高電壓的電池充電系統(tǒng))中數(shù)據(jù)通信的可靠性。圖8顯示了如何使用光耦為快速充電站設(shè)計(jì)部署隔離CAN總線數(shù)字通信方案的方法。類似的回路也適用于車內(nèi)系統(tǒng)。

圖8　該設(shè)置為快速充電站設(shè)計(jì)提供隔離的CAN總線數(shù)字通信

在圖8中，一對10-MBd 快速光耦合器(部分ACPL-W61L)被用來傳輸和接收數(shù)據(jù)。這個(gè)產(chǎn)品僅需要1.6 mA 的LED電流，其SSO-6封裝不足傳統(tǒng)DIP-8封裝一半大小。按照UL1577的標(biāo)準(zhǔn)，ACPL-W61L每分鐘可以承受5000VRMS 的高壓。這部分按照可在高瞬變噪聲中傳輸信號的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其共模瞬變抗擾度(CMTI)可達(dá)到 35 kV/μs[注30]。 為適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，可用其他光耦代替ACPL-W61L。這包括5-MBd級別的ACPL-W21L和25-MBb的雙通道雙向ACSL-7210。

結(jié)論

在探索使用相對便宜的電力能源的同是，電動(dòng)汽車終將有助于減少全球運(yùn)輸業(yè)對石油的依賴。它們還將有助于減少溫室氣體和其他污染物的排放，并將隨著在發(fā)電投資組合中引入更多的可再生能源而得到進(jìn)一步的改善。

電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施是推動(dòng)電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)廣泛采用的一個(gè)關(guān)鍵因素。在一個(gè)電動(dòng)汽車充電站當(dāng)中，尤其是對于直流快速充電而言，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)采用復(fù)雜的電力系統(tǒng)來為電池提供足量的電力。安全隔離是必要的，因?yàn)榈碗妷嚎刂葡到y(tǒng)、高壓電力系統(tǒng)、以及用戶可訪問的用戶界面都同時(shí)存于一個(gè)單一的充電站當(dāng)中。

電動(dòng)汽車充電器的另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素是電力轉(zhuǎn)換效率。光耦，如柵極驅(qū)動(dòng)器、電壓/電流傳感器和數(shù)字通信光耦都在單一封裝當(dāng)中提供安全隔離功能和各自的電氣功能，從而引領(lǐng)朝著系統(tǒng)朝著高效的方向發(fā)展。