光耦助力提升電動汽車充電站的安全與效率

近年來，全球交通運輸領域的電動化得到了飛速發展。到2012年底，全球電動汽車(EV)數量達到約18萬輛。據國際能源署(IEA)的《全球電動汽車展望》報告，這個數字在2014年底增長了3.7倍，達到66.5萬多輛。該報告還預測，到2020年將約有2 000萬輛電動汽車在道路上行使。

隨著電動汽車的快速增長，為延長車輛的行駛里程，人們對充電基礎設施的需求也隨之“水漲船高”。電動汽車充電站，也稱為電動汽車供應設備(EVSE)，為電動汽車供電，同時提供網絡互連。在本篇文章當中，電動汽車(EV)包括充電式電動汽車或純電動汽車(BEV)、電動公交車和插電式混合動力車輛(PHEV)。圖1展示了一臺工作中的電動汽車充電站。

圖1 這是電動汽車在充電站充電的常見場景

IHS汽車部門預測;全球電動汽車充電站的安裝量將從2014年的100萬個激增到2020年的1360萬個。據這個市場研究公司估計：屆時美洲的安裝量將達到430萬個;歐洲、中東和非洲(EMEA)地區的安裝量將達到 410萬個;亞洲(包括日本)的安裝量將達到530萬個。

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充電基礎設施。例如，中國計劃到2020年建造450萬個電動汽車充電站。據中國中央政府網站的報道，這將幫助實現到2020年將純電動汽車和插電式混合動力車輛的累計生產量和銷售量提高到500萬臺的目標。基于2014年年底建成31000個充電站的事實[注5]，要實現建造450萬個充電站的目標意味著復合年增長率(CAGR)需要達到129%。

充電站標準

在電動汽車充電基礎設施帶來廣闊的市場機遇的同時，也帶來了亟需解決的嚴峻挑戰。其中一個挑戰就是充電系統關鍵部件缺乏統一的標準，比如充電線、保護機制、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當中更為明顯，這是因為快速充電系統通常安裝在共享的公共或半公共的區域。顯而易見，系統不兼容會讓共享變得困難。

國際電工委員會(IEC)創立了一整套覆蓋電動汽車充電的標準。例如，IEC 61851-1：2010 EV適用于以高達1000 V標準交流電和高達1500 V直流電給電動汽車充電的車載和非車載設備。IEC 61851-23：2014則規定了對直流電動汽車充電站的要求。此外，IEC 62196-3：2014規定了對電動汽車充電耦合器的特定要求。

在全球范圍內，快速充電系統目前面臨著相互競爭的標準——一個是日本工業界采用的CHAdeMO協議，另一個是美國和德國汽車制造商,采用的國際自動機工程師學會(SAE International)推出的J1772聯合充電系統標準(CCS，又稱“Combo”標準)。這些標準在額定功率、耦合器設計、及EVSE和EV之間的通信協議等方面的規格參數各不相同。

不過，也有人指出“沒有標準之爭”，這是因為他們的充電系統設計將全部功能集成在一起，同時符合CHAdeMO以及SAE標準。其中一個例子是ABB公司的Terra 53充電站。另一個相對較新的競爭性標準是中國近日審批通過的GB / T 20234——修訂版。某些設計，如特斯拉的超級充電站，使用專門的充電技術。

交流還是直流充電?

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

根據充電器是安裝在車輛內部還是外部，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者工作場所的主電力供應源提供的交流電，并將其轉換為直流電以供電池充電。通常情況下，交流充電速度緩慢，這是因為這種充電器允許的額定功率受到限制——這是因為可允許的重量、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中。它將直流電直接注入到車輛內部的電池。由于直流充電設備安裝在固定位置，且沒有大小的限制，它的額定功率可高達數百千瓦。

圖2 直流快速充電法將充電時間從小時級縮短至分鐘級

例如，SAE J1772標準將DC Level 2的規格提高到100 kW。CHAdeMO標準則將50千瓦看成是最佳的輸出功率，同時考慮到了在充電站所在地獲取最大功率的成本，以及電池的充電時間。特斯拉的超級充電站由多個并行工作的Model S充電器組成，可為電池輸送高達120千瓦的直流電。這個充電速度相當于在約30分鐘內充滿行駛170英里路程所需的電力。直流快速充電法將充電的時間從小時級縮短至分鐘級。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估的充電時間，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，兩者對于適應電動汽車駕駛員的不同生活方式都是至關重要的。例如，電動汽車駕駛員可以在時間充裕的時候，比如呆在家里或工作場所的時候，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間，以便讓電動汽車司機更快地繼續他們的旅程。快速充電是成功推出能減少顧客里程焦慮(特別是長途駕駛)的電動汽車的一個關鍵因素。

充電站拓撲結構和安全隔離

電動汽車充電站的車載電子系統以及電動汽車充電站的所有功能都需要考慮到安全隔離的需求。車載系統包括高壓電池管理系統、dc-dc轉換器、電動機驅動逆變器及車載充電器。對于車載系統而言，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，包括柵極驅動、電流/電壓感應和數字通信等。這篇文章中的討論將集中在適用于非車載充電站設計的隔離解決方案，通常工業級器件就已經足夠了。

一般而言，一個電動汽車充電站通常包括的功能塊有AC-DC整流器、功率因數校正(PFC)和DC-DC轉換器，以將電壓調節到適合于為車輛電池充電的水平。圖3是一個直流充電站的功能模塊設計簡圖。在高頻隔離的拓撲結構當中，電氣隔離功能通過高頻變壓器在dc-dc轉換器中提供。此外，多個隔離設備提供各種信號隔離功能，同時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功率器件用于執行開關功能。

圖3　充電控制中心進行計算和執行控制指令，以實現設計功能

位于系統中心的是在微控制單元(MCU)，控制功率因素矯正(PFC)和帶有脈寬調制(PWM)信號的dc-dc 轉換器。充電控制系統根據電壓、電流的信息和其他數據如溫度和用戶輸入等，進行計算和執行控制指令，從而實現所設計的功能。數字通信端口用于EVSE和電動汽車充電控制中心之間的通信，之后接入云端，用于報告充電數據、遠程監控和診斷等。

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光耦的耦合點形成的線上構建。這一點在確保設計符合安全監管標準方面很重要。除了電氣隔離，在電源轉換器中包括EV充電站中電源轉換器中需要重點關注的另外一個重要因素是電力轉換效率。本文介紹了如何使用目錄[注17]中的幾個光耦，以實施高效的充電站設計，并保證安全隔離。

柵極驅動器

在電動汽車充電站當中，MCU改變PWM信號，以打開或關閉MOSFET或IGBT，并調整每種狀態的持續時間，以根據電池充電模式來調節輸出電壓/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“柵極驅動器”的器件來驅動MOSFET或IGBT柵極來實現的。

目前，一些柵極驅動器供應商提供一整套的產品組合，包括從基本的柵極驅動器到功能豐富的集成柵極驅動器，以滿足高效驅動和保護功能的設計需求。比如，ACPL-W346柵極驅動器提供2.5 A輸出電流、軌到軌的輸出電壓范圍，以及極短的55-ns傳播延遲時間。這些電氣規格參數對于需要保證高電力轉換效率的設計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中，按照UL1577標準，每分鐘的額定絕緣電壓為5000 VRMS;按照IEC / EN / DIN EN 60747-5-5標準可以達到1140 VPEAK。通過這些標準意味著控制器和用戶的安全將得到保證。

在電動汽車充電站的設計當中，除了選擇最佳的電源轉換拓撲結構之外，選擇先進的電力器件和合適的柵極驅動器可以幫助實現效率目標。碳化硅(SiC)的MOSFET迅速出現在商用電力設備市場上，和傳統的基于硅材料的MOSFET和IGBT相比，它能夠提供幾個好處。其中一個好處是減少了開關損耗，因為高壓 SiC MOSFET不會發生IGBT當中出現的拖尾電流損耗。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，可以實現較高的切換頻率，從而提高系統的效率。

圖4　通過Avago柵級驅動和Cree SiC MosfETs提升效率