EV无变压器快速充电解决方案

在插电式电动汽车 （PEV） 系统中，充电器可分为三个级别：AC Level 1 （《1.92 kW）、AC Level 2 （《19.2 kW） 和 DC Level 3 （》19.2 kW）。1由于其体积和重量，不建议在高功率 3 级系统中使用车载充电器。

本文将为功率高达 22 kW 的非车载非隔离式直流快速充电器提出两种拓扑结构。该充电器的典型模块方案包括一个 AC/DC 整流器级，然后是一个 DC/DC 转换器。AC/DC 级通常使用单相或三相应用来实现，具体取决于电网要求。三相选项提供了为电网接口和 DC/DC 级共享相同硬件的好处。在此处阅读原文。

漏电流

漏电流是非隔离直流快充的典型问题。图1中的红线表示漏电流可以流过电网地和EV底盘的路径。2，3此问题的一个常见解决方案是引入隔离式变压器（电源转换级）。然而，与非隔离式拓扑相比，隔离式系统的成本要高得多，体积也更重/更大。此外，变压器会造成额外的功率损耗，从而降低效率。

EV 充电系统中漏电流的路径。

图 1：EV 充电系统中的漏电流路径

根据 IEC 61851-1 标准，电动汽车充电器不强制使用变压器，4如果电动汽车系统中包含剩余电流装置 （RCD），则无需额外的电气隔离。基于上述因素，建议采用非隔离式直流快速充电器来解决漏电流问题，而无需使用额外的变压器。

充电器配置

提议的充电器解决方案符合国际 （IEC） 和美国（IEEE、NEMA）标准。对于 IEC 标准，电源电压为 240 V 或 400 V（三相），线路频率为 50 Hz。在建议的直流充电器中，选择 390 V 和 650 V 作为直流母线。

基本的两级开关臂、Supper 和 Slower，以及 LC 滤波器构成了建议的充电器。鉴于其高额定电流和电压，Wolfspeed C2M0025120D SiC MOSFET 被选为电路的主要开关。考虑到快速充电的功率级别 3 要求和设备的额定电流，为电网接口侧选择了32A rms额定开关臂电流。下一节解释了选择额定电流值 （32 A rms ） 的基本原理。

综上所述，二级双向非隔离直流快速充电器的设计一直基于图2所示的配置选项。

快速直流充电器配置选项。

图 2：快速直流充电器配置选项

拓扑结构

针对所提出的充电解决方案引入了单相和三相两种拓扑结构。

对于单相拓扑，可以使用图 3 中的公式确定相电流，其中U grid、I grid和α分别是单相电压、电流和功率因数。根据这个等式，在给定功率要求和电网电压的情况下，可以计算出所需的电流。

单相拓扑的相电流计算。

图 3：单相拓扑的相电流计算

相应的拓扑结构如图 4 所示。

两个开关臂在 AC/DC 侧组合形成一个全桥整流器。DC/DC 转换器只需一个开关臂即可为电池提供直流电源（ 8 kW）。

非隔离单相充电器。

图 4：非隔离单相充电器的拓扑结构

与前一种情况类似，当功率率和电网电压已知时，可以确定相电流，如图 5 所示。然后可以评估并联开关臂的总数 （32 A rms ） 。

三相拓扑的功率计算。

图 5：三相拓扑的功率计算

在图 6 中，显示了相关的拓扑结构。三个开关臂构成三相整流器的交流/直流侧。三个开关臂并联用于 DC/DC 转换器为电池提供直流电源（ 22 kW）。

非隔离式三相充电器的拓扑结构。

图 6：非隔离式三相充电器的拓扑结构

可以看出，AC/DC 和 DC/DC 转换器共享相同的直流母线。

硬件设计

实验硬件由以下部分组成：

三相逆变器板，基于六个 C2M0025120D SiC MOSFET、六个 CRD-001 栅极驱动器、九个直流总线电容器 （B32774D8505K） 和一个直流电压传感器 （RP1215D）

组件板，基于九个三相电容器（B32774D8126K000，12 μF）、三个电压传感器（RP1215D）、三个电流传感器（CKSR 25-NP）和三个功率继电器（T9SV1K15-12）

三相平面电感器，专为非隔离式快速充电器应用而设计

微控制器：TMS320F28377S MCU 用于为 AC/DC 转换器和 DC/DC 转换器生成 PWM 信号。

保护装置：为了自动切断输出和电池之间的连接，在电池本身和DC/DC转换器之间安装了一个直流断路器（M9U21240）。在电网接口和 AC/DC 转换器之间，连接了一个断路器 （F204A-63/0.03） 和 RCD （M9F22463）。交流断路器将防止在电网和接口之间流动的交流电流发生过电流。如果电网漏电超过阈值，RCD 会检测到并断开电网与逆变器的连接。

AC/DC 侧的对称电路示意图如图 7 所示。逆变器板和元件板由高压区域隔开，距离为 8 mm，提供 800-V 隔离。

PEV 无变压器快速充电解决方案

图 7：电网侧三相充电机示意图

除了硬件保护外，软件保护用于在出现意外情况时禁用充电器。

建议的拓扑结构的优点

所提出的两种非隔离拓扑都是无变压器的，这大大减少了充电系统的空间和重量。所有组件都可以放置在一个 450 × 400 × 200-mm 的封装中，而估计的 0.6 kW/L 功率密度显着高于目前市场上竞争的快速充电设备。

与独立充电器相比，所提出的拓扑通过消除变压器造成的损耗来提高效率。图 8 显示了 DC/DC 转换级的评估效率。

PEV 无变压器快速充电解决方案

图 8：经测试的 DC/DC 级效率

峰值效率达到99.3%，而在额定功率为22kW时，峰值效率为98.8%。额定功率下的平均效率为 98.5%。零序电流控制可以避免漏电流，因为网侧电容器的公共点连接到直流母线。泄漏电流将被限制在较低水平并满足标准要求。