充電樁充電模塊常見結(jié)構(gòu)、原理以及市場調(diào)研
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隨著電動汽車的快速發(fā)展，充電樁作為電動汽車產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設施建設越來越受到中央和地方政府的重視，對充電樁電源模塊的要求也越來越高，充電模塊屬于電源產(chǎn)品中的一大類，好比充電樁的“心臟”，不僅提供能源電力，還可對電路進行控制、轉(zhuǎn)換，保證了供電電路的穩(wěn)定性，模塊的性能不僅直接影響充電樁整體性能，同樣也關(guān)聯(lián)著充電安全問題。同時，充電模塊占整個充電樁整機成本的一半以上，也是充電樁的關(guān)鍵技術(shù)核心之一。因此，作為充電樁的設備生產(chǎn)廠家，面對激烈的市場競爭，避免在行業(yè)洗牌階段被無情的淘汰出局的悲劇命運，必須掌握并自主研發(fā)生產(chǎn)性價比高的充電模塊。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/202406/459731.htm一、充電模塊生產(chǎn)廠家
各主流充電機模塊的型號、技術(shù)方案，技術(shù)參數(shù)和尺寸等相關(guān)參數(shù)如下表所示：
目前市場上出貨量前三名為深圳的英可瑞，華為和英飛源。市場上還有深圳的維諦技術(shù)（艾默生），盛弘，麥格米特，核達中遠通，新亞東方，金威源，優(yōu)優(yōu)綠源，中興、凌康技術(shù)，健網(wǎng)科技，菊水皇家，泰坦、奧特迅，英耐杰，科士達，臺灣的飛宏，華盛新能，石家莊的通合電子，杭州的中恒電氣，北京的中思新科等廠家在對外銷售或自家充電樁使用。
二、充電模塊的主流拓撲
1、前級PFC的拓撲方式：
（1）三相三線制三電平VIENNA：
目前市場上充電模塊主流的PFC拓撲方式如上圖所示：三相三線制三電平VIENNA，英可瑞，英飛源，艾默生，麥格米特，盛弘，通合等均采用此拓撲結(jié)構(gòu)。此拓撲方式每相可以等效為一個BOOST電路。
由于VIENNA整流器具有以下諸多優(yōu)點，使得其十分適合作為充電機的整流裝置的拓撲。
1、大規(guī)模的充電站的建設需要大量的充電機，成本的控制十分必要，VIENNA整流器減少了功率開關(guān)器件個數(shù)同時其三電平特性降低了功率開關(guān)管最大壓降，可以選用數(shù)量較少且相對廉價的低電壓等級的功率器件，大大降低了成本；
2、功率密度即單位體積的功率大小也是充電機的重要指標，VIENNA整流器控制頻率高的特點使電感和變壓器的體積減小，很大程度上縮小了充電機的體積，提高了功率密度；
3、VIENNA整流器的高功率因數(shù)和低諧波電流，使充電機不會給電網(wǎng)帶來大量的諧波污染，有利于充電站的大規(guī)模建設。因此，主流的充電模塊廠家均以VIENNA整流器作為充電機的整流裝置拓撲。
4、每相兩個MOS管是反串聯(lián)，不會像PWM整流器那樣存在上下管直通的現(xiàn)象，不需要考慮死區(qū)，驅(qū)動電路也相對容易實現(xiàn)。
缺點：
1、輸出中性點平衡問題：中性點電壓的波動會增加注入電網(wǎng)電流的諧波分量，中性點電壓嚴重偏離時會導致開關(guān)器件以及直流側(cè)電流承受過高電壓而損壞。因此必須考慮直流側(cè)中性點電位的平衡問題；
2、能量只能單向傳遞。
（2）兩路交錯并聯(lián)三相三線制三電平VIENNA：
杭州中恒電氣自主研發(fā)使用的充電模塊采用的是兩路交錯并聯(lián)三相三線制三電平VIENNA的PFC拓撲方式。控制方式：第一Vienna變換器的A相驅(qū)動信號與第二Vienna變換器的A相驅(qū)動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°；第一Vienna變換器的B相驅(qū)動信號與第二Vienna變換器的B相驅(qū)動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°；第一Vienna變換器的C相驅(qū)動信號與第二Vienna變換器的C相驅(qū)動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°。通過兩個變換器的并聯(lián)，使得開關(guān)管和二極管電流應力降低一半，可使用傳統(tǒng)半導體器件；通過交錯并聯(lián)技術(shù)，總輸入電流波動減小，從而減少電磁干擾，減小濾波器體積；用兩個分散的發(fā)熱器件代替一個集中的發(fā)熱器件，在總熱量沒增加的基礎(chǔ)上可方便PCB布局和熱設計。另外此拓撲在輕載時，可仍然實現(xiàn)輸入電流連續(xù)，減少了干擾。
（3）單相交錯式三相三線制三電平VIENNA：
華為使用的充電模塊采用的是單相交錯式三相三線制三電平VIENNA的PFC拓撲方式。此拓撲方式將三相輸入分解為三個單相的交錯式的PFC電路，每個之間相互交差120°。而每一路的驅(qū)動MOS管相互交差180°。這樣可以降低輸入紋波電流和輸出電壓紋波，從而減小減小BOOST升壓電感的尺寸，減小輸出濾波電容的容量。同時降低EMI，縮減EMI磁性元器件大小，減小線路的均方根電流等，提高整機效率。歡迎注冊論壇（www.21micro-grid.com）,加入技術(shù)交流QQ群：電力電子技術(shù)與新能源 905723370，關(guān)注微信公眾號：電力電子技術(shù)與新能源（Micro_Grid）
2、后級DC-DC的拓撲方式：
（1）兩組交錯式串聯(lián)二電平全橋LLC：
（2）兩組交錯式并聯(lián)二電平全橋LLC：
目前英可瑞，麥格米特的750V的充電模塊均采用的是兩組交錯式串聯(lián)二電平全橋LLC，500V的充電模塊采用的是兩組交錯式并聯(lián)二電平全橋LLC。
優(yōu)點：
1、根據(jù)母線電壓，將分成上下兩個全橋的LLC控制，可以在不增加開關(guān)管應力的情況下，使用成熟的二電平全橋LLC控制電路；
2、采用全橋LLC算法，可以實現(xiàn)整流二極管的零電流關(guān)斷，提高效率，減小EMI；
3、輕載特性比較好。
缺點：
通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，難以實現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，諧振電感和變壓器設計困難，開關(guān)頻率不固定，難以實現(xiàn)更大容量。
（3）三電平全橋移相ZVS：
英飛源、維諦技術(shù)（原艾默生）采用的這種三電平全橋移相ZVS。
1、采用三電平技術(shù)，可以減小開關(guān)管的電壓應力，從而使用650V的MOS管，提高整機開關(guān)頻率，減小輸出濾波電感的尺寸；
2、移相全橋技術(shù)可以實現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，同時輸出電壓紋波小；
3、變壓器不需要開氣隙，有利于磁性元器件的功率密度的提升；
4、容易做在大功率，大容量。
不足之處：
1、 輕載時，滯后臂不容易實現(xiàn)軟開關(guān)；
2、 整流二極管為硬開關(guān)，反向恢復電壓尖峰高，EMI大；
3、 占空比丟失。
（4）三相交錯式LLC:
華為，通合電子采用的這種三相交錯式LLC。該轉(zhuǎn)換器包含3個普通LLC諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器分別以120°相位差運行。輸出電容的紋波電流得以顯著減小，提高功率密度。變壓器可以由3個小尺寸的磁性組合，減小整機的高度。但是其控制復雜。
（5）三電平全橋LLC:
盛弘電氣，茂碩電源采用三電平全橋LLC。
（6）兩組交錯式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS：
（7）兩組交錯式并聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS：
兩組交錯式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS和兩組交錯式并聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS兩種方案跟上述（1）（2）的結(jié)構(gòu)方式類似，只是采用了不同的控制算法，一種為全橋LLC，一種為全橋移相。
優(yōu)缺點 | LLC拓撲 | 移相拓撲 |
優(yōu)點 | 效率高 | 寬輸入、寬輸出調(diào)節(jié)范圍 |
全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS軟開關(guān) | 低輸出紋波 | |
低的EMI電磁干擾 | 易于實現(xiàn)次級側(cè)同步整流 | |
易于高壓電壓輸出 | 易于大功率擴展 | |
缺點 | 輸出紋波大 | 滯后臂難實現(xiàn)ZVS，開關(guān)損耗大（但ZCS容易實現(xiàn)） |
諧振電感，變壓器設計困難 | 整流二極管工作在硬開關(guān)，損耗大，反射尖峰電壓大 | |
難實現(xiàn)寬輸入和寬輸出調(diào)節(jié) | 副邊占空比丟失（ZCS漏感小） |
三、充電模塊技術(shù)要求和特點及發(fā)展方向
序號 | 名稱 | 技術(shù)要求及特點 | 發(fā)展現(xiàn)狀及方向 |
1 | 單模塊功率 | 目前充電樁上使用的主流充電模塊功率為單機15KW，少數(shù)為單機10KW，如通合電子。 | 1、 從2014年的7.5KW，到2015年的恒流20A 15KW模塊，到2016年的恒功率25A 15KW模塊的發(fā)展進程； 2、 今年上半年英飛源，英可瑞，通合電子，中興等廠家均已開發(fā)出20KW充電模塊樣機，并且尺寸跟15KW比較，均為2U，只是深度部分廠家加長了。但很少正式運用到充電樁中長期運行檢驗。個人認為20KW充電模塊只是一個過渡產(chǎn)品。（只是對原有的15KW進行了功率升級）； 3、 目前優(yōu)優(yōu)綠源，金威源，新亞東方，麥格米特，飛宏均已開發(fā)出了30KW充電模塊樣機，但都處理測試階段。人個認為30KW將會成為主流（1、30KW單機模塊平均每瓦成本降低不少；2、30KW的尺寸有的是3U高度，或2U高度+超過300的寬度，相對20KW模塊尺寸增加不大；3、充電樁肯定是向大功率方向發(fā)展，如350KW和400KW，相對單機15KW模塊，30KW模塊數(shù)量減小一半，充電樁可靠性高）。 |
2 | 寬輸出電壓 | 市場主流模塊分為200Vdc～500Vdc和200Vdc～750Vdc。 | 1、 國網(wǎng)發(fā)布2017版《電動汽車充電設備供應商資質(zhì)能力核實標準》指出直流充電機輸出電壓范圍為200V～750V，恒功率電壓區(qū)間至少覆蓋400V～500V和600V～750V。因此，各模塊廠家均為模塊升級成200Vdc～750Vdc且滿足恒功率的要求； 2、 隨著電動汽車續(xù)航里程的增加，以及車主對縮減充電時間的愿望，大功率充電即350KW，1000V將成為必然的發(fā)展方向。因此，模塊輸出電壓會增加到1000V。 3、 目前英可瑞已開發(fā)出1000V，15KW的模塊機樣，麥格米特已開發(fā)出950V，30KW的模塊機樣。 |
3 | 寬輸入電壓 | 市場主流模塊的輸入電壓范圍為380±20%（305~456VAC），頻率范圍為45~65Hz。而英可瑞，英飛源等廠家的輸入電壓范圍標稱：（260~530VAC） | 個人認為輸入電壓范圍為380±20%（305~456VAC），頻率范圍為45~65Hz就可以滿足充電樁的現(xiàn)場應用，不必擴展更寬的輸入電壓范圍。 |
4 | 高頻化 | 市場上目前前級PFC的開關(guān)頻率在40~60KHZ之間，后級移相全橋固定頻率均在100KHZ以下，而全橋LLC的主諧振點頻率也在100KHZ以下。 | 隨著單機模塊功率的加大，而體積又不能成比例增大的情況下，不管是前級PFC還是后級的DC-DC，只有進一步增加開關(guān)頻率才能實現(xiàn)增大功率密度。 |
5 | 高效率 | 市場上所有廠家的模塊，基本上峰值效率在95%到96%左右。 | 隨著98%超高效率技術(shù)和寬禁帶器件在通信電源市場的成熟，從技術(shù)角度考慮，將目前的充電樁模塊效率提升到98%是完全可能的。但從投資回報率考慮，效率為98%充電模塊毫無市場競爭力，因此，只有等到碳化硅和氮化鎵等器件平民化之后，充電樁超高效率的模塊才能商業(yè)化。 |
6 | 散熱方式 | 目前市場上所有廠家的模塊的散熱方式均為強迫風冷方式,前進風后排風的方式（風機質(zhì)量和壽命將會制約整機模塊的壽命）。 | 基于模塊故障率高的問題，一些廠家提出了水冷和封閉冷風道的想法。但就目前國內(nèi)充電樁行業(yè)如此低毛利的現(xiàn)狀，水冷充電模塊這種奢侈品基本可以審判死刑。 |
7 | 功率密度 | 目前以15KW為主流模塊的功率密度2.0W/cm3 | 在將來，直流充電樁為了滿足不同場景充電的需求，體積是一個比較重新的問題，對于模塊來說，盡可能做出超高功率密度的模塊，這樣可以使體積更緊湊，節(jié)省占地面積。預期功率密度為達到3.0W/cm3。 |
8 | 布局方式 | 1、 目前市場上所有廠家的模塊的都是后進線后輸出方式； 2、 尺寸多數(shù)為2U高度，絕大數(shù)都分上下兩塊電路板，一塊為前級PFC板，另外一塊為DC-DC板。每塊電路板的高度為1U，上下疊加為2U的整機高度。但英可瑞，麥格米特是一塊2U的電路板；（英可瑞以開發(fā)出1U高度15KW樣機） 3、控制電路板英可瑞以插板方式，其他廠家都是跟主板一體； 4、均是雙控制芯片，多數(shù)為雙DSP，麥格米特為DSP+ARM方式； 5、輔助電源方式：（1）反激，取母線總電壓方式；（3）反激雙管，取母線上下兩電壓交錯; 6、顯示方式：（1）3個發(fā)光二極管（運行，故障，報警）；（2）3個發(fā)光二極管+3位數(shù)碼管； 7、通信地址方式：（1）軟件ID自動識別；（2）硬件拔碼開關(guān)；（3）硬件8421數(shù)字編碼器。 | |
四、自主研發(fā)方案
序號 | 項目 | 初步方案 |
1 | 單機功率 | 開發(fā)20KW機樣，輸出電壓范圍為200V～750V，恒功率電壓區(qū)間覆蓋400V～500V和600V～750V。電氣間隙和爬電距離按1000V電壓等級設計，以便于后期擴容擴壓。 |
2 | 模塊尺寸 | 初步限定：寬*深*高——250*400*88mm |
3 | 前級PFC拓撲 | 常規(guī)的三電平VIENNA拓撲（平均電流算法+中點平衡+電壓前饋）MOS管和二極管均采用雙管并聯(lián)方式，以便于后期擴容。 |
4 | 后級DC-DC拓撲 | 兩組交錯式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS拓撲。上下母線各以10KW功率設計，兩組進行交錯式串聯(lián)。 |
5 | 布局 | 分上下兩塊主功率板： 1、 前級PFC功率主板+輔助電源電路；高度1U； 2、 后極DC-DC功率主板+控制板；高度1U； 3、 兩板之間信號通過牛角排線方式連接。 |
6 | 控制芯片 | 單一雙核DSP F28377D+2個UCC2895（兩芯片時鐘相位差180度） |
7 | 顯示方式 | 4位數(shù)碼管方式，通過一個按鍵切換輸出電壓和電流的顯示以及故障代碼 |
8 | 通信地址方式 | 硬件設置，6位拔碼開關(guān)， 0～63，最大支持64個模塊并聯(lián) |
9 | 散熱方式 | 采用2個四線制超高速PWM調(diào)速直流風扇。12V/2.5A |
10 | 溫度采樣 | 支持4路溫度采樣電路 |
11 | CAN通信 | 隔離型CAN通信接口，用于用戶數(shù)據(jù)交互，數(shù)字均流和數(shù)據(jù)傳輸。 |
12 | RS232通信 | 用于本地程序更新 |
13 | 內(nèi)置泄放電路 | 模塊停機后自動泄放電解電容能量。 |
14 | 輔助電源 | 輸入電壓取自上下母線電壓，采用雙管交錯式反激方式。 |
15 | 開關(guān)頻率 | 前級PFC開關(guān)頻率50KHZ，后級DC-DC開關(guān)頻率暫定70KHZ |
1、 初步方案：
2、控制板配置方案對比
方案1：DSP+ARM方案
方案2：DSP+ARM方案
方案對比：如下表
序號 | 類型 | 方案1：DSP+ARM方案 | 方案2：DSP+ARM方案 |
1 | 簡述 | 方案1采用單板結(jié)構(gòu)方式，核心板：雙核DSP F28377+STM32F407，DSP負責PFC和DC-DC的控制以及CAN通信。STM32F407負責數(shù)據(jù)的存儲與傳輸 | 方案2采用雙板結(jié)構(gòu)方式，PFC控制板采用DSP F28026只負責PFC的相關(guān)控制。DCDC控制板采用DSP F28035負責DC-DC的控制，同時負責CAN通信，風扇控制等。 |
2 | 成本對比 | DSP F28337D 132元；STM32F407 43元；FLASH 16元；RAM 15元；以太網(wǎng)驅(qū)動 6元；3個RJ45 18元。總計：230元 | DSP F28026 30元；DSP F28035 37元；DA轉(zhuǎn)換器 35元。總計：102元 |
3 | 優(yōu)點 | 1、 便于公司控制硬件平臺建立，擴展其他產(chǎn)品。 2、 具備數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能； | 1、 分開為雙控制板，有利于PFC和DCDC單獨控制，軟件和人員可以分開，結(jié)構(gòu)布局方便； 2、 相對于方案1，成本至少降低128元。 |
4 | 缺點 | 1、 成本高； 2、 單板不便于布局，兩種不同類型芯片不便于軟件人員編程。 | 1、 只能單獨使用此充電模塊電源，不便于擴展； 2、 無數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能。 |
5 | 結(jié)論 | 雖然成本稍微貴一點，鑒于公司的長期發(fā)展和規(guī)劃，此次采用方案1：DSP+ARM方案 | |
3、充電模塊V2.0的主要任務
序號 | 分類 | 功能名稱 | 描述 |
1 | 從無到有 | VIENNA | 前級PFC采用VIENNA拓撲方式 1、選擇控制方式：平均電流控制SPWM+中點不平衡控制+電壓前饋控制； 2、建立數(shù)據(jù)模型，進行數(shù)值仿真； 3、搭建硬件電路平臺，PFC電感的設計，功率開關(guān)的計算與選型，驅(qū)動電路的設計，采樣電路的設計等； 4、基于DSP進行軟件編程，PI參數(shù)調(diào)整及整機調(diào)試。 |
2 | 數(shù)據(jù)存儲與傳輸 | 整機控制系統(tǒng)采用雙核DSP F28377+STM32F407方案 1、 硬件電路板平臺搭建； 2、 數(shù)據(jù)存儲和傳輸軟件代碼編寫和調(diào)試； 3、 HMI界面的編寫和調(diào)試。 | |
3 | 數(shù)字均流技術(shù) | 充電模塊需要多模塊并機運行，因此需要各模塊的均流功能 1、 確立數(shù)字均流控制方案，建立數(shù)學仿真模型； 2、 軟件代碼編寫與整機調(diào)試。 | |
4 | 測試平臺 | 電源開發(fā)必須具備相關(guān)的測試設備 1、 補全電源開發(fā)所必須的開發(fā)和測試工具； 2、 板級測試和整機測試工裝的建立和使用； 3、 老化實驗平臺的建立和使用。 | |
5 | 優(yōu)化設計 | DC-DC | 后級DC-DC采用ZVZCS拓撲 1、 建立數(shù)據(jù)模型，進行數(shù)值仿真； 2、 進行上下兩部分ZVZCS的交錯控制； 3、 根據(jù)數(shù)值仿真，優(yōu)化設計二極管反向恢復導致的電壓尖峰問題；優(yōu)化設計隔直電容，吸收電路，變壓器匝比，變壓器漏感，超前臂并電容，死區(qū)，輸出濾波電感，濾波電容等問題； 4、 建立熱模型，優(yōu)化處理熱管理和設計； 5、 優(yōu)化設計電磁兼容EMC問題，特別是前后級共模電感和X電容，Y電容的選擇。 |
6 | 研發(fā)流程 | 以此項目為基礎(chǔ)，梳理產(chǎn)品研發(fā)的流程 1、 完善原有的研發(fā)流程，使產(chǎn)品研發(fā)按正常的流程進行； 2、 完善和執(zhí)行討論評審機制； 3、 完善硬件原理設計與計算，原理說明書編寫； 4、 完成軟件方案設計，流程圖設計，軟件模塊化設計； 5、 完善測試大綱編寫和測試； 6、 完善產(chǎn)品中試要求和流程； | |
7 | 目標 | 1、20KW充電模塊，輸出電壓范圍為200V～750V，恒功率電壓區(qū)間覆蓋400V～500V和600V～750V； 2、滿足充電樁的基本需求，產(chǎn)品能夠可靠，長期穩(wěn)定運行； 3、具備小批量試產(chǎn)。 | |
4、電源的發(fā)展方向和規(guī)劃
序號 | 功能 | 類型 | 說明 |
1 | 充電模塊V2.1 | 簡單 修補 | 從如下方面優(yōu)化充電模塊V2.0的優(yōu)化：解決充電模塊V2.0存在的非關(guān)鍵而V2.0又難以調(diào)整的問題： 1、 優(yōu)化設計，提高整機效率； 2、 優(yōu)化熱設計和熱管理，優(yōu)化散熱風道； 3、 優(yōu)化設計，縮減模塊尺寸，提高整機功率密度。 4、 元器件優(yōu)化，降低整機成本。 |
2 | 高壓高功率充電模塊 | 產(chǎn)品 衍生 | 1、 根據(jù)市場的需要，進行單機功率30KW充電模塊的研發(fā)； 2、 根據(jù)市場的需要，進行輸出電壓高達1000V充電模塊的研發(fā)。 |
3 | 特種電源 | 產(chǎn)品 衍生 | 充電模塊為上下兩個DC-DC串聯(lián)方式，提高輸出電壓，而在電滲析電源主要是低壓大電流，因此，對后級進行并聯(lián)設計和調(diào)試。 |
3 | AC-DC | 技術(shù) 升級 | 一、VIENNA技術(shù)方向： 1、 優(yōu)化軟件控制算法（1）掌握單周期控制算法或（2）SVPWM控制算法，優(yōu)化平均電流SPWM控制算法的不足之處； 2、 2路交錯式VIENNA的控制方式，便于充電模塊的擴容； |
4 | DC-DC | 技術(shù) 升級 | 后級DC-DC技術(shù)方向： 1、 完善和優(yōu)化二電平移相全橋ZVZCS技術(shù)，特別是二極管反向尖峰的抑制； 2、 進行二電平LLC技術(shù)的儲備，主流的電源控制方式，具備很多優(yōu)點，從公司電源產(chǎn)品線的發(fā)展，此技術(shù)必須掌握運用。 3、 進行三電平移相全橋ZVS或三電平LLC技術(shù)的儲備，便于特高壓輸入的產(chǎn)品設計。 |
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