电动汽车充电机有哪些设计方案？

大功率直流充电设计标准

国家大功率充电标准“Chaoji”技术标准设计目标是未来可实现电动汽车充电5分钟行驶400公里。

“Chaoji”技术标准主要设计参数如下：

最大电压：目前1000V (可扩展到1500V);

最大电流：带冷却系统 500A(可扩展到600A);

不带冷却系统 150-200A;

最大功率：900KW。

大功率直流充电系统架构

大功率直流快充系统一般由以下几部分构成：

三相有源整流前端完成AC-DC转换;

功率因数校正(PFC);

具有隔离功能的DC-DC转化器，输出电动车电池需要的电压。

图片来自：onsemi

如下图25kW的直流充电桩的架构图所示，在实际设计的过程中，需要充电桩的输出功率和使用场景的不同，考虑到更多的维度包括：

功率拓扑，包括PFC和DC-DC的电源拓扑;

开关调制模式;

开关频率及损耗;

整机热管理;

辅助电源设计;

单相还是双向。

25 kW电动车直流充电桩的高级框图

图片来自：onsemi

有源整流升压级(PFC)

常见的商用直流充电器要求实现0.99的功率因数和低于7%的总谐波失真。

3相6开关有源整流与T-NPC或I-NPC等3级PFC维也纳拓扑结构相比，高效而且可以实现双向输出，元件数量也少。

系统的开关频率被设定为70 kHz，以保持二次谐波低于150 kHz，传导辐射能够得到控制，也简化了EMI滤波器的复杂性。

三相6开关拓扑结构，带有功率因数校正(PFC)

图片来自：onsemi

双有源全桥(DC-DC)

DC-DC级包含两个全桥、一个25千瓦的隔离变压器和一个初级侧的外部漏电感，以实现零电压开关(ZVS)。

双有源桥(DAB)DC-DC级

图片来自：onsemi

双有源桥(DAB)在实现双向运行的基础之上，利用移相调制可以实现在200 V至1000 V的输出电压时，峰值的能效达到98%。开关频率设定为100 kHz，将开关损耗、磁芯和交流损耗保持在合理的水平。

另一种方案是CLLC谐振转换器，是对LLC的改版，可实现双向工作。然而如果想要，控制、优化和调整CLLC以实现双向功能，并在较宽的输出电压范围实现高输出功率，需要结合频率调制和脉冲宽度调制，控制相对复杂。

半导体产业网消息：电动汽车(EV)直流快速充电机绕过安装在电动汽车上的车载充电机，直接为电池提供快速直流充电。如下图所示，直流快速充电机由一级 AC-DC 和一级 DC-DC 组成：

图 1. 直流快速充电机由一级 AC-DC 和一级 DC-DC 组成

在优化系统效率的同时最大限度缩短充电时间是直流快速充电机的主要关注点。在设计此类系统时，必须考虑器件选型、电压范围和负载要求、运行成本、温度、坚固性和环境保护，以及可靠性。

相比传统硅(Si)和 IGBT 器件，基于碳化硅(SiC)的器件由于具有工作温度更高、导通损耗更小、漏电流更低、浪涌耐受能力更强、最大额定电压，以及整体功率密度更高的特点，可实现更好的性能。但是，要充分利用这些优势，则必须对功率变换器拓扑进行优化。

本文旨在探讨数种考虑用于快速充电机系统的功率变换器拓扑和一些可利用的工具/资源，以及包含多项关键比较的汇总表格。

无论是在家庭或公共区域、高速公路通道还是为车队充电，对交流电网的功率需求可从 2.2 kW 一路升到 1 MW。此类电网系统通常设计为 20 - 50 kW 的 AC-DC 和 DC-DC 电源块，可根据充电位置和车辆类型进行扩展，以满足更高或更低的不同需求。功率级别和系统的一般叠层方式如下图所示：

图 2. 功率级别和系统的一般叠层方式

接下来，在设计时需要分析直流快速充电应用的实用性。首先，此类充电机安装在需要宽电池电压范围和宽负载曲线的公共区域。例如，目前道路上的大多数电动汽车的电池电压均在 350 V - 450 V 范围内，而新车型则采用 800 V 电池。此外，每一款电动汽车电池都有不同的充电曲线，这意味着电动汽车充电机在设计时要满足宽负载曲线和高满载能力的需求。分析客户行为也很重要，因为与家用充电机不同，车辆几乎始终会行驶到充电位置，因此此时的需求转变为预热电池和快速上升到峰值充电功率。您可以在左上图中看到这一点，以及一些电池制造商所建议的电池容量达到 80% 时充电速率下降。

对于商业运营商而言，运营成本对投资至关重要。举例来说，对于一个 360 kW 充电站，假设充电站每天运营 12 小时，充电单价为 25 美分/千瓦小时，如果充电效率提高 2%，每个充电站每天可节省约 22 美元。电动车市场的动态特性也推动充电系统对新车型的高度灵活性和更小的安装占地面积的需求。

下面我们总结了快速充电机系统的系统目标：

宽电池电压范围(350 V - 800 V)

宽负载曲线(单辆车/多辆车)和电池缓冲器(用于高性能车辆)

针对满负载充电进行优化

实现双向性，满足回馈电网应用的需求

灵活，可适应新行业趋势/标准

安装占地面积小

降低运营成本，实现盈利

坚固耐用，工作温度范围广

记住上述要求和设计目标，一起来了解一些功率拓扑。随着新能源汽车市场的不断发展，车载充电机的应用越来越广泛。其中，开关电源的设计对于充电机的性能和稳定性至关重要。本文将重点介绍新能源车载充电机OBC(车载充电机)的开关电源设计方案，包括数字控制核心算法的应用和PFC和LLC等关键技术的实现。同时，本文还将分享一些实际研发过程中的经验，并提供了相关电源PFC资料和维也纳设计资料等方面的宝贵参考。

二、设计方案

数字控制核心算法

在新能源车载充电机OBC的开关电源设计中，数字控制核心算法是整个系统的核心。数字控制具有精度高、稳定性好、易于实现等优点，已成为电源设计的趋势。在本文中，我们将介绍一种基于电压电流环控制的数字控制算法，实现精准的电压和电流调节。

PFC和LLC的应用

PFC(功率因数校正)和LLC(半桥变换器)是开关电源设计中的两个重要环节。在本文中，我们将介绍一种采用TMS320F28035芯片实现PFC和LLC的设计方案。该方案具有效率高、体积小、成本低等优点。

三、新能源汽车充电机设计方案

本文还提供了一些新能源汽车充电机的设计方案和相关技术资料，包括6KW双向升降压48-54DC输入、320Vbc输出等。具体设计方案包括电路拓扑、控制算法、保护电路等方面。

多乘用电动汽车主已经习惯了这种操作，下班回到家，把汽车连接在家用慢充充电桩上，但很多电动汽车车主不知道的是，为电动汽车充电的，其实不是充电桩，而是汽车上的车载充电机(On-board charger;OBC)，家用的慢充充电桩，只是提供了一个标准充电接口。

电动汽车充电机，按照其所在位置，划分为车载充电机和非车载充电机两类。

车载充电机以交流电源作为输入，输出为直流电，直接给动力电池包充电，与地面的交流充电桩适配。

交流充电桩交流输入，交流输出，不能直接给动力电池充电，需要连接车载充电机进行电力变换，才能实现充电。

交流充电桩内部比较简单，基本功能就是将电网交流电引出到方便电动汽车充电的位置，并提供一个标准的充电接口，并可完成计费等额外功能，可以简单理解为“一个带电表的插座”。

车载充电机的输入端以标准充电接口的形式固定在车体上，用于连接外部电源，车载充电机的输出端直接连接动力电池包慢充电接口。

中华人民共和国汽车行业标准《QCT895-2011电动汽车用传导式车载充电机》中规范了车载充电机的组成结构。

主要分为输入端口、控制单元、功率单元、低压辅助单元和输出端口。

标准的输入接口采用工频单相输入220V电压，但如果功率需要，也可以启用两个备用pin口，可以实现三相380V输入。

功率单元一般包括输入整流、逆变电路和输出整流3个部分，将输入的工频交流电转化成适合动力电池系统能够接受的适当电压的直流电。

通常对于整车厂来说，车载充电机的要求是成本低、尺寸小、重量轻、寿命长，同时可靠性和安全性都较高。

目前主流的乘用车领域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kw等，客车领域一般是40kw和80kw等，按冷却方式可分为水冷型和风冷型。

随着技术的进步和产品设计的升级，独立车载充电机的发展越来越受到集成化功率单元的挑战。

在如特斯拉等新能源汽车制造商的新款产品中，OBC被同DC/DC变换器或PDU等整合在一起，形成“黑箱式”结构，这对产品功率密度、热管理性能等提出了更高的要求。