電動(dòng)車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
/ T) G' P; z% Y2 g1 x- i電動(dòng)車(chē)因其零尾氣排放和環(huán)保特性正在改變現(xiàn)代交通方式。到2020年，全球電動(dòng)車(chē)數(shù)量達(dá)到約850萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2040年將增長(zhǎng)58%。政府激勵(lì)措施和電池成本的下降推動(dòng)了這一發(fā)展，電池組成本已從每千瓦時(shí)1200美元降至150美元，預(yù)計(jì)到2030年將進(jìn)一步降至70美元。
: g* B3 T6 l; m& I
; f! K- z8 C. a/ g$ F9 f, _6 Z圖1展示了純電動(dòng)汽車(chē)的基本架構(gòu)，顯示了從電網(wǎng)供電經(jīng)過(guò)各種轉(zhuǎn)換階段到牽引電機(jī)和輔助負(fù)載的功率流程。

: }  h8 S/ {7 h* k充電系統(tǒng)分類(lèi)
, a. y) _- s! _! r9 C2 ?. p電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)根據(jù)功率傳輸方式分為三大類(lèi)。車(chē)載充電器（OBC）集成在車(chē)輛內(nèi)部，包括專用和集成型兩種。非車(chē)載充電器作為外部充電站具有更高的功率能力。半車(chē)載充電器將組件分布在車(chē)輛和地面基礎(chǔ)設(shè)施之間，常用于無(wú)線充電應(yīng)用。
* H9 ~$ E* L1 X
圖2展示了電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的完整分類(lèi)，詳細(xì)說(shuō)明了車(chē)載、非車(chē)載和半車(chē)載充電技術(shù)之間的關(guān)系。

供電設(shè)備與通信
$ Y8 ~7 f" w$ i+ X# O: B8 u* n$ w充電接口需要配備具有內(nèi)置安全和通信功能的復(fù)雜供電設(shè)備。
& K+ A4 l% J1 R0 g3 I5 t  K" T- ]6 \7 F$ h
2 `' n- U* T! C) F2 h' `* Y圖3顯示了EVSE線路配置，包括用于安全充電操作和系統(tǒng)通信的控制導(dǎo)頻（CP）和臨近導(dǎo)頻（PP）線。
" B9 K1 J! A1 e  j/ ]  i" |+ d
8 G4 ?# y6 l: g6 y功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)
現(xiàn)代車(chē)載充電器采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。兩級(jí)配置較為常見(jiàn)，包括功率因數(shù)校正（PFC）和DC-DC轉(zhuǎn)換階段。

圖4展示了Delta-Q OBC線路配置，說(shuō)明交錯(cuò)升壓變換器和移相全橋變換器各階段。
/ c' M+ N: g! j. w& a% R( d
* Y/ c6 s" p# N3 j- I$ L8 w+ K完整系統(tǒng)包含兩個(gè)功率階段的復(fù)雜控制機(jī)制。
( {! F5 Z. }2 F4 N( k3 A
圖5展示了傳統(tǒng)升壓PFC車(chē)載充電器的完整架構(gòu)，包括功率元件和控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
控制架構(gòu)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，精確調(diào)節(jié)充電參數(shù)。

圖6顯示了升壓PFC變換器(a)和隔離DC-DC變換器(b)的控制線路架構(gòu)，說(shuō)明雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

+ L! W" t% B8 U# X4 T對(duì)于交錯(cuò)設(shè)計(jì)，多個(gè)控制環(huán)路協(xié)同工作。
6 M* Q, V( @  S& e4 T7 X( D
  ^0 y9 n5 ]9 q7 q4 [3 R圖7展示了具有雙電流控制環(huán)路的交錯(cuò)升壓PFC變換器控制器架構(gòu)。
# y4 x9 ]! X  T, B0 z  r
系統(tǒng)響應(yīng)特性通過(guò)精心的控制器設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。
* O- S0 U- w$ S: Y6 F, j2 ^
; l. V& b5 @( T! V: |圖8顯示PFC變換器傳遞函數(shù)的伯德圖：(a)無(wú)控制器的電流環(huán)，(b)無(wú)控制器的電壓環(huán)，(c)有控制器的電流環(huán)，(d)有控制器的電壓環(huán)。

6 m' |5 g0 v: ~; L性能分析
現(xiàn)代充電系統(tǒng)在各種工作條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定性能。高輸入電壓下的系統(tǒng)行為顯示出優(yōu)秀的調(diào)節(jié)能力。
) o+ L  t: q! w4 N) U5 f
4 {* H* I" r! b9 G4 w+ X  l圖9展示了264V輸入時(shí)一級(jí)升壓PFC車(chē)載充電器的響應(yīng)，顯示輸入電流、DC鏈路電壓和輸出特性。
; A* _1 ~: Z+ F+ y' `) R
低電壓運(yùn)行保持穩(wěn)定的性能特征。

+ x* l1 u/ I. g: [圖10展示了85V輸入時(shí)一級(jí)升壓PFC車(chē)載充電器的響應(yīng)，顯示在較低輸入電壓下的穩(wěn)定性能。

比較分析揭示了不同拓?fù)浞椒ǖ膬?yōu)勢(shì)。

0 O; N+ a3 a  Z8 X) |+ q圖11顯示了升壓PFC和交錯(cuò)升壓PFC車(chē)載充電器的比較分析：(a)輸入功率因數(shù)，(b)輸入電流總諧波失真，(c)輸入紋波電流，(d)電池端輸出電壓紋波。

. ^" R8 d) w2 N- W/ U' k標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)充電實(shí)施。SAE J1772定義了多個(gè)充電等級(jí)：
- W4 p, }3 J, i3 G

AC Level 1在120V下運(yùn)行，功率達(dá)1.44kW

AC Level 2在208-240V下運(yùn)行，功率達(dá)14.4kW

DC充電等級(jí)支持200-600V運(yùn)行，功率輸出可達(dá)240kW
9 n. p/ x7 C5 S, q+ `% {' ~. H: ?/ `
CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)多個(gè)版本演進(jìn)，從1.0版本的50kW能力發(fā)展到3.0版本的900kW。聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）提供350kW充電能力，區(qū)域變體包括北美和韓國(guó)使用的CCS-1，以及歐洲和澳大利亞市場(chǎng)使用的CCS-2。

! w( F6 n0 L$ ^% S9 u8 \5 K, k技術(shù)規(guī)格
' m4 F; y4 F5 y% i9 ?" o商用車(chē)載充電器系統(tǒng)通常實(shí)現(xiàn)85-264V AC的通用輸入電壓兼容性。輸出功率范圍從3.3kW到22kW，DC輸出電壓從200-650V。這些系統(tǒng)保持90%以上的峰值效率，同時(shí)提供精確的充電控制和保護(hù)功能。

8 O/ m% v! ~2 W8 }! t; v9 C4 M. h  ^PFC階段維持單位功率因數(shù)運(yùn)行，同時(shí)最小化輸入電流失真。DC鏈路電壓調(diào)節(jié)確保中間母線電壓穩(wěn)定，具有最小紋波。隔離DC-DC階段提供電氣隔離和精確的電池充電電壓控制。

+ p( N. X  w+ d( I! e4 ?4 M8 t+ g, x/ A現(xiàn)代車(chē)載充電器實(shí)現(xiàn)：
+ Z# I  a. J' ~+ m( }3 n

功率因數(shù)超過(guò)0.99

輸入電流總諧波失真低于5%

輸出電壓紋波低于2%

系統(tǒng)效率達(dá)到90-95%
未來(lái)發(fā)展
電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)通過(guò)電力電子和控制系統(tǒng)的進(jìn)步持續(xù)發(fā)展。氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和改進(jìn)的效率。這些發(fā)展配合復(fù)雜的控制算法，增強(qiáng)充電系統(tǒng)性能，同時(shí)減小尺寸、重量和成本。

  b8 t) m) R1 p" U. b/ N% h, ~: O( c研究工作繼續(xù)在無(wú)線充電技術(shù)、超快充電系統(tǒng)和雙向功率流能力等領(lǐng)域展開(kāi)。這些進(jìn)步將支持電動(dòng)汽車(chē)日益增長(zhǎng)的需求，同時(shí)保持高標(biāo)準(zhǔn)的安全性和效率。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)發(fā)展確保不同地區(qū)和車(chē)輛平臺(tái)之間的互操作性和一致性能。

; j0 O4 u2 \  P: _) |3 a' _高效充電基礎(chǔ)設(shè)施的成功部署對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛采用至為必要。電力電子、控制系統(tǒng)和充電協(xié)議的持續(xù)創(chuàng)新將推動(dòng)充電速度、效率和用戶便利性的改進(jìn)，支持全球向電動(dòng)出行的轉(zhuǎn)變。

- ]5 ~% O- r0 k! D/ m" x) a參考文獻(xiàn)
[1] D. Kishan, R. Kannan, B. D. Reddy, and P. Prabhakaran, Eds., Power Electronics for Electric Vehicles and Energy Storage. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2023.

+ s8 b4 b6 }) mEND

- {: d4 R% }0 x% h" U0 [
! y( U5 z. u3 B( ^: H" K2 m軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
7 d) `! \* ~7 r+ K9 H點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
! F- n; W$ c, V0 I* J6 S6 e9 |
0 u5 F! k6 Y4 Y9 _/ \- R1 B歡迎轉(zhuǎn)載
" [% q) w/ @6 o: J6 X! E  b0 b  ^
* W' \0 t' e+ Q4 H0 N( ?轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
2 D- d+ J- \4 z, L. ~1 W) K
! p% b4 ]- G& `. o3 U/ b

, A- x0 q% k5 q. m; D7 L
4 w2 ?) |; F( C: W
! w! g! T3 W5 Y9 F* w1 w關(guān)注我們

S3 @5 f. C, Z+ {: t ! ?8 ~3 _$ }3 N

/ p- o. i. B$ W  u+ Y

& U5 D$ o3 m! W* k

                     

  r( t- w7 @+ i( ?) v
1 P- r% F! ?; ]! W
關(guān)于我們：
6 d4 h5 e. E7 y5 R深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

' Q5 z5 M4 D  a" Thttp://www.latitudeda.com/
8 q3 }  M) [% E+ a0 e（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）