全方面的高功率直流快速充电解决方案
直流快速充电能够以更高的功率为电池充电,具有充电速度快、损耗低、充电效率高,可适应大容量电池等优点,提高了电动车的可用性和便利性,随着电动车的普及和发展,已经成为当前电动车充电应用发展的主流技术,市场前景可期。本文将为您介绍直流充电的应用发展趋势,以及由艾睿电子与Infineon、ST等合作伙伴所推出的充电桩相关解决方案。
全球直流快速充电市场前景可期
依据市场分析,预计到2034年,直流快速充电器将占据公共充电器市场份额的33%。以美国市场为例,根据两党基础设施法案,将提供为期5年的国家电动汽车基础设施(NEVI)50亿美元的资助计划。
在欧洲、中东和非洲地区,目标则是到2030年建立350万个充电点,并批准投资15亿欧元用于替代燃料基础设施,包括跨欧洲网络的电动快速充电设施。
在亚太地区,根据麦肯锡的数据,预计到2030年,东盟市场预计将需要95,000个公共交流充电点和40,000个直流充电点,比目前的数量多出30倍,其中中国将占据90%以上的市场份额。
直流充电的应用场景将包括50kW – 350kW典型的功率范围,全球直流充电器在2023的数量已有868,000个,相较于2022年的330,000个,数量增长超过60%,依据2030年的规划路线发展,到2030年美国将有500,000个快速充电器,欧盟则有350万个充电点,市场发展潜力相当可观。
30kW电动汽车充电器
一站式解决方案
艾睿电子的子公司eInfochips看好直流充电市场的发展,推出了30kW电动汽车充电器一站式解决方案,eInfochips的直流快速充电器设计,是一款智能、互联、面向未来的直流充电器。
eInfochips直流充电器具有10英寸大型HMI显示屏(亮度1000尼特),可通过LED和扬声器发出通知,LED可指示电源、故障、充电的状态,并具有用于用户通知的扬声器输出(3W),可使用EVWER(eInfochips的知识产权)来进行远程管理,支持CCS1/CCS2充电标准,具有超精简型的电能计量,可支持智能充电/V2G应用的OCPP 1.6J/ISO15118标准,内置过压/过流、浪涌等系统安全机制,额定功率达30 kW/60 A。
eInfochips直流充电器可分成电源模块、SECC单元等构建模块,支持输入过压/欠压、过温、过流、接地故障、RCD/CCID器件、短路、浪涌、紧急关机等输入保护,以及过温、过流、直流高压(输入/输出)、电流隔离、电击(直流隔离监视器)等输出保护,具有吉比特以太网、Wi-Fi网络接口,支持OCPP 1.6J网络通讯,以及ISO15118、IEC 61851-23, -24车载通信,以及CCS1/CCS2充电接口与电能计量功能。
这款一站式电动汽车充电解决方案,具有软件/数字平台开发,包括与云无关的方案(Azure、AWS、GCP)、高级充电功能实施、通知、推送警报、报告和仪表板,以及数据聚合和分析功能。在测试与认证方面,将预先合规和认证测试(CE、FCC、UL、RoHS、REACH等),支持进行功能、EDVT、热测试,以及IP67、冲击、压力清洗和紫外线辐射等机械功能,与质量保证和测试自动化。
此外,这款电动汽车充电解决方案还可支持移动/网络应用程序开发,这是基于多租户的网络平台,可进行跨平台Android/iOS移动应用程序开发。支持全栈设计、UI/UX、应用程序分析与多语言支持。在固件开发方面则支持BSP开发/定制/测试,可用于Linux、RTOS、Android等操作系统,支持固件应用、OTA、网络安全,以及器件驱动程序、HAL、中间件、库。
该解决方面还可提供设计到制造的制造即服务一站式解决方案,可协助制造/装配设计、元器件/供应链辅导,可提供超过15个以上的合同制造商。其硬件设计符合OCPP标准的电动汽车充电器设计,支持嵌入式、工业、机械设计,以及元器件/BoM、架构、PCB原理图、布局、信号完整性、电路板、原型设计、DFA/DFM等资源,并可提供产品生命周期管理、传统资产的现代化、L1/L2/L3支持、24x7 NOC、SLA管理、开发运营/云运营等管理服务。
支持电池电压1200V以上的
高功率直流充电解决方案
由于电动汽车电池的电压从400V提高到800V,因此为了减少铜线的质量同时提高功率密度,功率器件的额定电压也提高到1200V以上。为了支持这个需求,Infineon推出了CoolSiC MOSFET 2kV 62 mm SiC MOS半桥模块评估板―― EVAL-FFXMR20KM1HDR,这是一款栅极驱动器板,用于在半桥配置中采用Infineon最新的CoolSiC MOSFET技术驱动62 mm模块。它使用的1ED3890MC12M紧凑型栅极驱动器以及升压级等器件,具有可靠性与快速的可控性,可提高驱动器的输出功率。
这款半桥模块评估板采用CoolSiC Trench MOSFET技术的62 mm、2kV模块的半桥驱动器,支持分离源极和灌极以优化栅极驱动,采用1ED3890MC12M或1ED3890MU12M(X3数字)驱动器IC,带有I2C总线,可用于参数调整,支持硬件欠压锁定(UVLO)保护,适当的PCB设计可限制运行期间PCB的发热,具有可调斜率、稳定时间和稳定水平的两级关断(TLTO),负电压调节范围为-5 V至0 V,是一款即插即用、随时可用的器件测试板解决方案,具有可进行高开关频率的正电压调整,PCB设计可限制运行期间PCB的发热等好处,可应用于电动汽车充电、光伏、不间断电源(UPS)等领域。
这款评估板中采用的EiceDRIVER 1ED38x0Mc12M增强型,是一款单通道5.7 kV(rms)隔离式栅极驱动器IC,具有I2C可配置性,适用于DESAT、软关断、UVLO、米勒钳位和可选的两级关断。此栅极驱动器可支持650 V、1200 V、1700 V、2300 V IGBT、SiC和Si MOSFET。
这款栅极驱动器支持40 V绝对最大输出电源电压,以及±3 A、±6 A和±9 A典型灌电流和拉电流峰值输出电流,具有独立的源输出和灌电流输出,用于硬开关或可选的两级关断以及有源米勒钳位,I2C总线可用于参数配置和状态寄存器读出,支持精确、可调节、温度补偿的VCEsat检测(DESAT),具有故障输出,与去饱和检测后可调节IGBT软关断,可在高达125 ℃的高环境温度下运行,并在160 ℃(±10 ℃)时过温关闭。
这款栅极驱动器可支持严格的IC到IC传播延迟匹配(tPDD, max = 30 ns),输入和输出侧具有迟滞欠压锁定保护,并具有主动关断功能,集成ADC比较器可产生可配置反馈或故障关闭行为,高共模瞬态抗扰度(CMTI)为200 kV/μs,采用节省空间的小型DSO-16细间距封装,具有大爬电距离(大于8 mm),通过UL 1577、VDE 0884-11安全认证,符合工业应用要求。
完整的 30kW 电动车充电器功率模块
一站式解决方案
ST也推出了电动汽车充电器的30kW功率模块解决方案,其中包括带有数字控制的30 kW Vienna PFC整流器参考设计──STDES-30KWVRECT,这款参考设计可为基于三电平Vienna拓扑的大功率三相有源前端(AFE)整流器应用,引入了完整的数字电源解决方案。
借助SCTWA90N65G2V-4和STPSC40H12C,该平台的峰值效率超过98.5%。其采用STM32G474RE混合信号高性能微控制器进行全数字控制,可对功率因数、直流电压和软启动程序进行全面控制。STDES-30KWVRECT实现了低总谐波失真(满载时THD小于5%)和高功率因数(满载时高于0.99),同时提供高带宽连续传导模式(CCM)电流调节。
这款参考设计包含一个三相三电平AC-DC电源转换器,支持800 V直流电压额定电压、400 V交流电压额定电压,具有最大功率30 kW,功率因数大于0.99,浪涌控制和软启动额定运行时THD低于5%。
在基于SiC MOSFET和SiC二极管的功率部分,支持70 kHz高频工作,具有大于98.5%的更高效率,并联SiC MOSFET可提供更高功率和平衡共享电流,缩减无源器件的重量和尺寸。
在基于STM32G474RE微控制器的控制部分,包含SWD–UART、I²C和DAC等控制和监控接口,还有64引脚的数字电源连接器,LED状态可做为用户接口,四个集成的高性能运算放大器可提供更多功能。
此外,ST还推出采用STM32G4的30 kW SiC MOSFET DC-DC转换器,可用于电动汽车充电器。这款带数字控制的直流充电模块30 kW三相LLC参考设计(STDES-30KWLLC)的额定输出功率为30 kW,开关频率为100-300 kHz,支持650 VDC – 850 VDC的直流输入电压与200 VDC – 1000 VDC直流输出,峰值效率大于98%,内置STM32G474这款高性能的32位MCU,采用PFM操作模式,输入具有欠压保护、过压保护、过流保护,输出支持过压保护、过流保护功能。
这款转换器是基于1200 V SiC器件和高开关频率,可实现更高效率,采用更少的SiC MOSFET,可通过单个LLC转换器实现更高的功率,并具有宽范围、高输出电压。
ST另一款用于电动车充电站的30 kW三相Vienna整流器,具有三相345 VAC至460 VAC,频率47 Hz至63 Hz输入交流电压,最大输入电流为55 ARMS,直流输出电压为800 VDC,额定输出功率30 kW,开关频率70 kHz,峰值效率大于98.7%,满载运行时功率因数为0.99,THD低于5%,内置STM32G474高性能32位MCU。这款30 kW三相Vienna整流器是基于SiC器件的解决方案,可实现更高的效率,具有极低的THD(总谐波失真)、更高的可靠性,设计复杂度低。
ST另一款带数字控制暖机的60 kW三相并联LLC则具有650 VDC – 850 VDC直流输入电压,200 VDC – 1000 VDC直流输出,额定输出功率为60 kW,峰值效率大于98%,内置STM32G474高性能32位MCU,这是基于SiC器件的解决方案,可实现更高的效率,并联LLC使用更少的SiC MOSFET来实现更高的功率,具有宽范围、高输出电压。
ST基于STM32G4和SiC的解决方案,将有助于实现高性能电动汽车充电器,共包括可实现大功率电动汽车充电器的PFC与DCDC整体解决方案,并可为客户提供先进的完整元器件(SiC MOSFET、SiC二极管、STGAP、STM32),30 kW三相解决方案可在160 kHz 700 Vout半负载下实现 98% 峰值效率。
结语
直流快速充电在电动车应用中的发展日趋快速,重要性也日渐提高,是现代电动车技术中的关键技术。直流快速充电系统能够以更高的功率为电池充电,相比交流充电可更快地充满电池,为电动车的普及和发展提供了重要支持,提升了电动车的用户体验和可用性。本文所介绍的多款解决方案,将能够加快客户设计直流快速充电产品的速度,请直接与艾睿电子联系,以进一步了解更多的技术细节。
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原文标题:【技术干货】全方面的高功率直流快速充电解决方案
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