繼上篇我們為大家介紹現了有電動汽車充電方式及相關標準；接下來我們還將詳細地介紹快速直流充電系統的架構、實現方式，以及英飛凌在這方面的解決方案及相關產品和服務。

快速充電

電池充電可以被視為恒流應用，無需考慮過載情況。一般而言，恒流（CC）模式以¼ C進行電池充電，這里的C是電池在一小時內的充電或放電速率。在充電過程的80%左右的時間里，電流保持恒定，而施加的電壓穩步升高，直至達到電池最高電圧Vmax。對于200 Ah電池組，這個過程用時約4小時，此后，電池將以恒壓（CV）模式進行充電。

快速充電要求電池在初始20分鐘內以2 C速率進行充電，然后，以1 C進行充電10分鐘，最后再以½ C充電4分鐘。對于200 Ah電池組，可以在34分鐘內充滿80%的電量，這相當于大約300公里續航里程。

不過，快速充電也受到諸多因素的限制。首先，這種充電方式受限于所采用的電池技術。此外，還必須考慮電池布局、散熱系統和電池單元互連等因素。

圖5：典型快速充電曲線圖

對于充電系統，CharIN技術規范設定最大恒流輸出為500 A，電壓范圍為700 Vdc- 920 Vdc。這還要求電池系統配備適當機制來處理快速充電造成的性能下降問題，以及實現高達1000 Vdc的絕緣性能。最終充電系統效率應高于95%，未來還將進一步提高至98%。因為當功率為300 kW時，效率損失1%相當于3 kW損耗。電纜在500 A滿負荷條件下，也會產生每米100 W左右的損耗。

對比其它應用，功率循環的影響相對較小。熱循環在私人充電系統的影響微乎其微，但對于公共充電系統，它卻是嚴峻挑戰。私家車在10 – 15年使用年限內充電多達5 000次，而公共交通系統，如公交車則可在15 – 20年使用年限內完成30 000次充電。

快速直流充電系統架構

大功率直流充電系統設計主要分為兩種。一種是將輸入的三相交流電轉換為可變直流輸出，提供給直流/直流轉換器，與車輛通信之后再確定精確的直流電壓。另一種方法是將輸入的三相交流電轉換為固定直流輸出，然后由直流/直流轉換器轉換為所要求的電壓。在這種應用中，這兩種方法被視為同樣有效，彼此之間不存在壓倒性優勢或劣勢。關注的焦點主要是如何最大限度地降低散熱要求，提高功率密度，縮小整個系統的尺寸。

圖6：兩種大功率直流充電系統的原理框圖

按照當前標準，要提高功率密度，必須實現強制風冷。然而，新一代充電解決方案則將目光投向液冷方案。緊湊型解決方案必然要考慮提高開關速度，范圍在32 kHz至100 kHz之間，以縮小磁性器件的尺寸。

圖7：面向交流/直流轉換器的PFC拓撲

最簡單、最高性價比的交流/直流轉換是采用二極管整流，設計人員通過這種簡單的方法只能實現固定輸出電壓，該電壓取決于當地市電提供的三相電源電壓，而且總諧波失真（THD）也不盡如人意。通過多脈沖整流器，可以改善線電流諧波失真，但要求使用更為復雜的變壓器和更多整流二極管。

三相有源前端（AFE）能夠解決THD問題，可以實現正弦波輸入電流，同時為后級提供可變輸出直流電壓。但設計復雜，必須為柵極驅動器提供隔離電源和輸入端濾波。這種拓撲有詳盡的技術資料，并且為人熟知，也是適用于這種應用的成熟解決方案。

但越來越受歡迎的解決方案是Vienna整流器。這種三相三電平PWM整流器僅需三個有源開關，和一個雙升壓型功率因數校正電路。其輸出電壓受控，并且哪怕市電電源不穩定或一相斷電時，它仍然可以繼續運行。此外，倘若控制電路發生故障，輸出或前端亦不會出現短路，因而它也是堅固耐用的解決方案。同AFE一樣，其輸入電流為正弦波形，它的功率因數最高可達0.997，THD低于5%，并且效率達到97%或更高。

圖8：直流/直流轉換主要采用串并聯LLC諧振變換器實現

在直流/直流轉換，具有效率優勢的諧振拓撲往往備受垂青。根據整體要求，這里可以實現電氣隔離。這種設計滿足了對提高功率密度和縮小體積的要求，特別是對于將原邊電感集成到變壓器中的情況。零電壓開關（ZVS）可降低開關損耗，幫助提高整個系統的能效。

對于與電網隔離的架構，多交錯式降壓轉換器是首選的直流/直流拓撲。其優勢是可以在各相之間實現負載均衡，減小紋波，縮小濾波器尺寸，但其代價是要使用更多器件。

快速直流充電系統設計實現

目前，中國市場是最成熟的快速直流充電技術市場，滲透率高達80%（相比之下，EMEA為15%，美國僅為5%）。在中國市場，充電功率為15 kW及以下的解決方案最為普遍，但預計到2020年，20 kW子單元將占主導地位，并且在2023年之前，30 kW和60+ kW單元將大量出貨。這反映出朝著350 kW大功率充電解決方案發展的趨勢。英飛凌擁有豐富的產品組合，加之我們多年積累的系統經驗和深厚知識，意味著我們的團隊能夠大力支持工程師研制快速直流充電解決方案。無論是功率產品包括分立器件、功率模塊和柵極驅動IC等，還是單片機，它們都可以充分挖掘應用的能效潛力。最后安全認證解決方案和控制器能確保安全計費和系統安全。

圖9：英飛凌面向電動汽車直流充電設計的解決方案

設計推薦取決于系統總輸出功率以及充電模塊的拓撲及構建。對于功率不超過30 kW的壁掛式充電墻和充電樁，建議使用分立器件，而350 kW系統則最好使用功率模塊。功率在50 kW至150 kW之間的充電系統，應根據環境因素、空間和價格等來決定，是選擇使用分立器件還是功率模塊。

高效實現30 kW至150 kW充電功率的解決方案

常見的做法是，使用15 kW至30 kW充電模塊多個并聯，打造出150 kW電動汽車充電解決方案?；诜至⒐β势骷?5 kW至30 kW充電模塊，可選用Vienna整流來實現開關頻率為40 kHz的PFC。假設一個面向空冷系統的三相380 V / 50 Hz電源，針對成本敏感型應用的解決方案，TRENCHSTOP™ 5  IGBT 650V結合CoolSiC™肖特基二極管 1200V是很好的組合。較之于傳統的硅二極管，使用碳化硅（SiC）二極管可將效率提高約0.8%，同時還支持功率輸出增加80%。將IGBT替換為600 V CoolMOS™ P7 SJ MOSFET，可使效率提高0.5%左右。

圖10：基于分立器件的充電系統的典型拓撲

對于直流/直流轉換器，通常使用諧振變換器來實現最高300 kHz開關頻率，并提供200 V至700 V輸出電壓，以滿足電池充電電壓要求。得益于高壓超結技術和集成快速體二極管，600 V CoolMOS™ CSFD，或者，如果RDS(on)低于30 m?，600 V CoolMOS™ CFD7 MOSFET，結合CoolSiC肖特基二極管，可在這種應用中實現相當高的效率。然而，要想實現最高效率，不妨考慮CoolSiC™ MOSFET產品組合。

高效實現50 kW至350 kW充電功率的解決方案

在研發大功率充電模塊或者更高功率級別的充電系統時，推薦使用基于功率模塊的解決方案。這種功率級別的解決方案更適于使用液冷技術?？衫瞄_關頻率為40 kHz的CoolSiC™ Easy 2B模塊來實現Vienna整流器。直流/直流部分則可充分利用開關頻率最高達到300 kHz的交錯式三相或多相降壓轉換器。在這種應用中，CoolSiC™ Easy 1B模塊結合分立式CoolSiC™二極管，可以實現很高效率。

CoolSiC™家族的F3L15MR12WM1_B69是一個采用Easy 2B封裝的Vienna整流拓撲器件。這個高功率密度器件的RDS(ON)為15 mΩ，所采用的封裝有助于簡化設計實現。其寄生電容很低，且開關損耗不受溫度影響。Easy 2B封裝和小一些的Easy 1B封裝均可提供半橋拓撲，RDS(ON)值可低至6 mΩ。

圖11：基于功率模塊的充電系統的典型拓撲

基于IGBT技術的解決方案可使用EconoPACK™ 4模塊，結合EconoBRIDGE™硅整流器模塊。EconoPACK™ 4具備堅固耐用的注塑成型、超聲波焊接的螺栓端子，加上其PressFIT引腳，接線完全無需焊接。

選擇驅動器和實現控制

純電動汽車直流充電需要選擇合適的柵極驅動器，將單片機（MCU）如XMC4000或數字信號處理器（DSP）等輸出的控制信號，傳輸至功率器件。推薦的柵極驅動器基于無鐵芯變壓器（CT）技術，這是一種磁耦合電氣隔離技術。這些驅動器具備出色性能，足以驅動半橋和全橋。選擇合適的柵極驅動器，需要考慮的關鍵參數包括傳輸延時、驅動能力，以及驅動MOSFET、IGBT和SiC MOSFET等的堅固耐用性。本文探討的設計利用了來自兩個EiceDRIVER™家族的產品。

EiceDRIVER™ 1ED Compact家族涵蓋一系列單通道電氣隔離柵極驅動器，可提供標準封裝和寬體封裝。如果要求滿足安全認證，也可提供通過UL 1577認證的產品?？芍С侄喾N不同輸入電壓，這簡化了MCU或DSP的連接，同樣，輸出側亦支持單極和雙極運行。軌到軌輸出驅動器便于輕松選擇柵極電阻，無需配置外接大電流旁路二極管，并可增強高邊和低邊配置的dV/dt控制。諸如有源關斷和欠壓閉鎖（UVLO）等特性進一步提升了整個解決方案的堅固耐用性。

EiceDRIVER™ 2EDi家族是雙通道電氣隔離柵極驅動器，它們不僅擁有杰出的共模干擾抑制能力，而且傳輸延時短、驅動能力強。得益于此，它們非常適于驅動LLC一次側使用的器件。

圖12：單通道和雙通道無鐵芯變壓器EiceDRIVER™柵極驅動器框圖

單片機是電源單元設計的基本組成部分，必須確保與正在充電的電動汽車進行通信，以及實現快速充電模塊內部通信。最終，要將轉換效率提高零點幾個百分點，所使用的控制算法實現至關重要。正如已經強調指出的，這相當于每個充電樁能夠節省數百瓦電力。

XMC 4000系列單片機（MCU）家族譜系遍涉眾多工業應用，在這些應用中，控制確定性極其重要。整個家族均可引腳和軟件兼容，有助于靈活地提升功能或優化成本。這個家族基于工作頻率最高達到144 MHz的Arm® Cortex®-M4，配備最大2 MB閃存和352 kB SRAM存儲容量。它們還可提供各種通信接口，包括最多6個CAN外設接口。

高精度模擬外設，如模數轉換器（ADC），可緊密結合各類型定時器和靈活的脈寬調制（PWM）模塊，部分脈寬調制（PWM）模塊的分辨率可達到150 ps。對于支持諸如高頻LLC等電源拓撲，以及通過集成斜率補償、消隱、濾波和鉗位電路來簡化峰值電流控制模式，這些特性必不可缺。

專門針對富于挑戰的環境而設計，這些器件能在最高125°C的溫度下工作，并且可以提供多種創新封裝。為確保客戶能夠在其產品的整個生命周期內獲得這些器件，XMC 4000系列已被納入英飛凌長期供貨計劃。為了完善這個解決方案，英飛凌還提供了配套的DAVE™集成式開發平臺環境（IDE），和一系列基于XMC™ lib低電平驅動器的DAVE™應用程序。同硬件一樣，我們也為這些開發軟件提供長期支持。

對于要求更為苛刻的應用，或者安全或功能安全有著舉足輕重的影響的應用，AURIX™家族是天然的替代之選。這個堅固耐用且可靠的多核MCU家族包括單核型號和多核型號，可支持的工作環境溫度高達150°C，經常被選用于ASIL-D和SIL3安全相關應用。借助各種機制實現了硬件安全，包括采用鎖步核、冗余外設、存儲保護和時鐘監測等等。這些器件的封裝經專門設計，具有高度靈活擴展性，允許設計人員根據需要輕松改換為具備更多特性的MCU。同英飛凌提供的所有MCU一樣，AURIX™系列亦可確保長期穩定供貨。

這些MCU的工作頻率最高可達300 MHz，擁有最大6 MB閃存容量，并且具備一系列高速接口，包括CAN-FD接口和以太網接口。直接內存存?。―MA）的工作原理無需CPU介入，留出了更多CPU性能用于處理應用程序代碼。采樣率高達5 Msps 的12位ADC可支持功率轉換算法控制，此外，定時器外設可提供范圍靈活的脈寬調制（PWM）控制輸出。

最后，硬件安全模塊（HSM）將確保安全，在單獨的邏輯保護域提供信任錨。在其自有32位MCU的支持下，它可執行安全啟動、安全存儲加密和認證密鑰，并且配備符合AIS31標準的真隨機數生成器（TRNG），還可以執行硬件加速，以支持對稱和非對稱加密。

為支付和升級保駕護航

充電解決方案將一系列綁定云服務的充電模塊互連起來，包括電力系統負載均衡，銀行支付服務等。因此，安全是設計解決方案最核心的要素。除保護云服務安全之外，可以開發應用程序更新程序或功率級控制優化程序，并通過軟件空中升級（SOTA）進行分發。必須進行相互認證，以確保僅授權服務器可以向通過認證的純電動汽車充電器分發軟件補丁或更新程序。此外，在考慮安全和系統性能時，對充電樁執行硬件升級可能需要進行認證，以確保僅獲得認可的充電模塊和原裝配件可以連接至現有解決方案，避免使用偽劣部件。最后，硬件安全能夠為純電動汽車充電系統的身份標識和服務完整性提供最可靠的保護。

通過實現這樣的安全特性，純電動汽車充電器的私有密鑰將作為數字證書保存在分立安全控制器中。進而，這將建立一個加密數據通道，向連接至純電動汽車充電器的服務器提供安全發送和接收數據的服務。在純電動汽車充電應用中，數據完整性和授權用戶認證至關重要，不論是考慮現有支付機制，還是未來遷移至人工智能服務和基于區塊鏈技術的智能處理。

使用OPTIGA™家族嵌入式安全解決方案，如OPTIGA™ Trust B防偽安全芯片，可以認證更換的硬件是不是原裝備件。芯片封裝十分小巧，尺寸僅為1.5 x 1.1 mm，每顆芯片都搭載采用用戶自定義密鑰的橢圓曲線密碼引擎和真隨機數生成器。通過單線接口（SWI）可以訪問所有特性，代碼可以提供給主機MCU。

為了實現要求更高的控制面板完整性保護，開發人員可以使用OPTIGA™ TPM模塊。這顆器件符合可信計算組織發布的TPM 2.0（版本1.38）技術規范，是獨立于主處理器的安全解決方案，可用于存儲關鍵數據，如私有密鑰。這個解決方案能夠在電動汽車充電系統的整個壽命周期內，最大限度地保護其完整性，確保安全，為基于云的密鑰管理服務提供安全的現場設備配置，以及確保數據服務安全，如預測性維護解決方案和應用軟件更新等。同樣地，這顆器件也采用尺寸僅為5.0 x 5.0 mm的小巧的表面貼裝封裝，并且業已通過獨立執行的安全評估和認證。2019年，我們將推出擁有更長使用壽命和更大工作溫度范圍的工業級型號，以支持現場部署純電動汽車充電系統。

演示和評估系統

為便于輕松開發，英飛凌研制出多種不同的演示和評估系統以及開發工具。我們研制出一個30 kW純電動汽車充電模塊。這個充電模塊安裝在一個大小正合適的350.5 x 400.0 x 86.2 mm外殼內，功率密度為42.1 W/立方英寸。這種空冷設計充分利用1200 V CoolSiC™肖特基二極管和650 V TRENCHSTOP™5 IGBT來實現Vienna整流，并使用1200 V CoolSiC™ MOSFET和650 V CoolSiC™肖特基二極管來實現直流/直流轉換器和輸出。柵極驅動器來自EiceDRIVER™家族。

圖13：30 kW純電動汽車快速充電器演示板

對于那些剛開始接觸碳化硅技術的設計人員，英飛凌也提供可用于分析降壓或升壓轉換器中采用的CoolSiC™ MOSFET的開關特性的評估板。它們可以支持TO-247 3引腳和4引腳器件，以及Easy 1B半橋功率模塊。

同樣地，MCU產品系列也有各種配套的適用于XMC4000的簡便工具包和入門演示板，以及面向AURIX™器件的開發工具包?？梢岳酶鞣N評估工具包，包括專為支持上述MCU而設計的評估工具包，對OPTIGA™嵌入式安全解決方案進行評估，然后再做選擇。

結語

隨著政府和社會日益迫切要求解決二氧化碳排放不斷增加的問題，現在，電動汽車已經成為切實可行的解決方案之一。在逐步緩解了續航里程問題之后，當前要解決的關鍵問題，是像給汽車加油那樣輕松地為電動汽車電池充電，特別是對于長途出行的私家車、出租汽車以及公交車等。

引入這種大容量電池的另一個潛在益處，是有可能將電池存儲的電力重新送入電網，以平衡用電高峰。研發電池快速充電解決方案，需要合作伙伴的支持。英飛凌的工程師和研發團隊理解這項應用面臨的各種挑戰，在功率電子設計方面擁有豐富的經驗。此外，英飛凌提供了全面的硅和碳化硅器件產品組合，設計工程師可以利用這些產品，將他們的構思和想法變成安全的、堅固耐用的純電動汽車充電解決方案。

參考文獻

1. Zero emissions – slide 5

2. Vehicle ranges -https://www.autotrader.com/best-cars/here-are-10-electric-vehicles-longest-ranges-263793100 miles (160 km) to 315 miles (500 km)

3. Daily commute UK- https://www.telegraph.co.uk/news/uknews/road-and-rail-transport/10724224/Workers commuting-further-than-ever-before.html9.3 miles (15km)

4. Daily commute DE -https://www.zeit.de/mobilitaet/2017-09/pendler-berufspendler-arbeit-zahl-des-tages17km (10.5miles)

5. Battery swapping -https://www.livemint.com/Companies/GBaaGeREDOUDlpRaP7G1RJ/SUN-Mobility-plans-up-to-100-battery-swapping-stations-by-FY.html

6. Sun Mobility – battery swapping for busses -https://www.youtube.com/watch?v=hWlAf6P61LE&feature=youtu.be