【導讀】隨著消費者對電動汽車 (EV) 的需求和訴求持續增強，直流快速充電市場在蓬勃發展，市場對快速充電基礎設施的需求也在增加。預測未來五年的年復合增長率 (CAGR) 為20%至30%。如果您是在電力電子領域工作的一名應用、產品或設計工程師，遲早會參與到這新的充電系統的設計中。
這里可能會出現一個基本問題，特別是如果您是第一次面臨這樣的挑戰。應該如何開始設計，從哪里開始？關鍵的設計考慮因素是什么，應該如何解決這些挑戰？安森美(onsemi)幫助設計人員解決這些挑戰，我們將演示開發基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦直流快速充電樁。
開發這種類型的大功率電池充電器需要多樣化的技能。安森美專家團隊主導了該設計的項目協調，承擔了所有硬件開發活動，并開發了固件和軟件。該團隊在電源轉換和電機驅動的控制和算法方面擁有多年的開發經驗。
我們將談談直流充電樁的開發過程，在每一部分探討不同的主題。我們將聚焦所面臨的關鍵挑戰、權衡取舍，并展示如何從頭設計、構建和驗證這樣的系統。設計過程并非一帆風順，向前推進的最佳方式是快速啟動、運行和迭代。
快速直流充電樁 – 我們要構建什么？
在電動車生態系統中，直流充電樁提供 "快速 "和 "超快 "充電能力，與較慢的交流充電器形成對比。從本質上講，電動車充電器將來自電網的交流電轉換為適合輸送到電動車電池的直流電。直流充電的電源轉換是在電動車外（"車外"）進行的，然后輸送到車輛，功率等級從低于50千瓦到大于350千瓦（甚至更高的等級也在開發中）。更高功率的直流充電樁通常以模塊化的方式構建，15至75千瓦（及以上）的功率塊堆疊在一個柜子里（圖2）。一般來說，直流充電樁的輸出電壓從150 V到1000 V，涵蓋常見的400 V和800 V電動車電池電壓，可針對較高或較低的電壓端進行優化。
這種電源模塊的結構如下：前端一個帶有功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器，然后是一個DC-DC級，提供在電網和負載（電動車的電池）之間的隔離，并調節輸出端電壓和電流（圖2）。該系統也可能是雙向的（特別是在低功率時），因此拓撲結構和設計應考慮到這一點。
安森美團隊開發的是一種具有雙向充電能力的25千瓦直流充電樁 。該系統應涵蓋廣泛的輸出電壓范圍，能夠為400 V和800 V電池的電動車充電，經優化還可用于更高的電壓等級。輸入電壓的額定值為歐盟400伏和美國480伏的三相電網。功率級應在500 V至1000 V電壓范圍內提供25千瓦。低于500 V時，輸出電流將被限制在50 A，降低功率以與直流充電標準如聯合充電系統(Combined Charging System ，簡稱CCS) 或CHAdeMO（圖3）的電流曲線吻合。
關于通信端口，該板將為外部接口（電源塊、充電器系統控制器、車輛、服務和維護之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎架構。總的來說，設計將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標準中關于電動車充電的準則。下表概述了系統要求。
開發流程
我們的團隊遵循電源轉換硬件開發流程的邏輯。首先是根據應用要求定義實際的直流充電樁功率級。我們的案例總結在表格中。這些符合市場的需求，并遵循IEC-68515準則。這些要求有助于團隊了解目標。第一個可行性研究有助于驗證最初的要求和假設。這些將被整合為系統設計的一部分，包括（在本項目的范圍內）硬件、軟件、熱管理和機械設計、原型和驗證。所有基本的系統變量和解決方案的大多數臨界權衡取舍都發生在可行性研究期間。這些任務和子設計是通過多次迭代進行的，其中一個部分的輸出和假設被反饋到另一個部分。其中兩個主要的設計活動提供了重要的產出，以推進工作：
● 用SPICE模型進行電源仿真
● 使用MATLAB和Simulink進行控制仿真
電源仿真對于確認工作電壓和電流、損耗、散熱要求及功率和無源元件的選擇等方面的假設至關重要。一旦實施計劃準備就緒，就要進行包括功率參數在內的控制仿真，以確認采用該電源設計的控制回路可以有效地工作。在通過電源和控制仿真證實設計后，就獲批繪制原理圖、布局PCB和制造原型。一旦有了電路板，就可進行硬件啟動，功能測試和系統評定。請參考《從頭開始開發 25 kW 電動車直流充電樁》。最有價值的收獲將出現在我們解決挑戰和問題的過程中。
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