【电源管理】利用SiC器件设计适合家庭车库的直流充电站

直流（DC）快速充电站主要位于公共场所，交流（AC）充电设计主要用于家庭住宅。而现在出现的壁挂式直流电源箱（DC wallbox）利用碳化硅（SiC）器件提升了效率，成为功能更加强大的家庭充电选择。

减少温室气体排放对环保至关重要，而电动车辆在减排中发挥着重大作用。电动车辆（EV）的普及与充电站基础设施密切关联：道路上的电动车辆越多，可用的充电点就越多；而基础设施的改善反过来会激励更多人改乘电动车辆。而且，日益增长的电动车推动了更强大的新型电池的发展，不仅电池成本得以降低，制造更大电池容量和更长续航里程的车辆也成为可能。为了开发具有更高功率密度的电池，高充电容量必不可少，尤其是在同一场所为大量车辆同时充电时。因此，新的充电概念出现了。

然而，电动车辆和充电站数量的不断增加会对电网稳定性造成负担，特别是在城市和郊区。因此，新的充电概念还要确保持续的电力稳定。例如，智能和联网充电点通过改善和集中化充电管理来防止供电需求的波动；而采用双向充电，电动汽车的电池也可以变换为缓冲存储器，回馈电力给家庭住宅、工业建筑和电网。
各种不同的充电概念

大约60%的欧洲电动车辆用户都拥有自己的充电站。这些充电点通常采用交流电源，输出功率在3.7 kW至11 kW之间（极少数情况下可达到22 kW）。因此将电动汽车的电池充满电，需要花费好几个小时。而且，要使用这些充电站，电动车辆上需要集成车载充电器（OBC）。交流充电站也可用于公共停车场或购物中心，这类交流充电站通常都具有高达22 kW的输出功率。根据OBC的充电功率可知，100 kWh电池的充电时间约为5个小时。

如果电池需要快速充电，那快速充电柱无疑是正确的选择。快速充电柱具有50至350 kW的高额定功率，主要安装在公共停车场和大型充电站。通过快速充电站对电动车辆进行充电只需要不到一小时的时间，而使用超快速充电站则可将时间进一步缩短至20分钟，这具体取决于电池大小。与交流充电站相比，直流充电站具有集成转换器，它将来自市电的交流电转换为直流电，然后直接将电能馈送到车辆电池中。直流固定充电点甚至可以用于家庭住宅和公司。例如，输出功率为22 kW的壁挂式直流电源箱（如图1所示），就可以安装到你家车库的墙上。


图1：住宅充电：壁挂式直流电源箱是家庭车库的快速充电解决方案，它可以连接到家庭光伏系统（图片：Rohm Semiconductor）

壁挂式直流电源箱可轻松安装在家庭车库中，并且很容易与光伏（PV）系统对接。光伏系统产生的直流电，可以通过DC / DC转换器直接为车辆电池充电。另外还可以安装一个能量存储系统（ESS）以利用多余的能量。存储系统与充电站、电动和混合动力车辆，以及光伏系统组合起来，就可以形成一个自给自足的供电系统，可以优化能源需求和发电。ESS也是电动车辆旧电池回收利用的最佳方法。尽管这些旧电池不再适合用作车辆的储能设备，但70%到80%的容量仍可用于要求不高的应用（例如ESS）。这些旧电池被称为“二次电池”（second-life batteries ，SLB），它们可以为充电站提供灵活的功率流，实现与电网之间的双向有功功率交换。因此，电动车辆也可用于负载控制，从而优化电网负载。如果出现电力短缺，存储在汽车电池中的能量可以回流并稳定电网（V2G）。
直流充电的需求

从一定程度上说，用户行为对充电概念的发展具有重要意义。但归根结底，直流充电站能否在家庭住宅中广泛使用仍取决于电动汽车厂商。这其中的关键因素就在车载充电器（OBC），OBC必须集成到每辆车中才能通过交流充电站充电。由于汽车电子组件的空间和功率密度存在一定技术限制，OBC的充电功率是有限的。而采用直流充电，转换器不必集成在电动车辆中，而是直接集成在充电站中。如此一来，电动车辆架构中的组件得以减少，生产成本也得以降低。与此同时，更多空间可以用来提高车辆本身的效率。这最终减轻了车辆重量，也节省了能源，反过来还可能延长续航里程。

根据功率级别选择适当的拓扑和组件就可以实现更高的功率密度。硅IGBT由于高性价比如今在电动车辆中占据着主导地位。但与之相比，碳化硅（SiC）MOSFET变换器具有更高的开关频率，当然其成本也较高，不过这一点可以从系统设计上通过其它组件来弥补。

此外，碳化硅具有出色的材料特性，例如它具有最小的正向电阻增长。与硅器件相比，碳化硅器件可以实现更大程度的封装小型化和节能效果。碳化硅器还可以在更高的环境温度下运行，实现更高效率。直流充电站可以配备不同拓扑的SiC MOSFET，像罗姆等公司已经在批量生产中实现了。
直流充电站拓扑结构

充电站实际上由不同的拓扑结构组成，而充电系统通常包含两个转换器功率级。AC/DC级将来自市电的AC电压转换为DC电压，然后再通过DC/DC级与电池电压匹配。DC / DC级还可以调节充电电流并提供安全操作所需的电流隔离（如果原边侧没有实施隔离的话）。






图2: 直流充电站的三级拓扑结构

与两级拓扑相比，三级拓扑需要更多的组件，也具有更高的栅极控制复杂度（尤其是在双向配置中），这可能导致系统尺寸的增大。但是，三级解决方案可降低总开关损耗并实现最佳EMC特性。

比较而言，两级拓扑的器件数量少很多，因此系统尺寸也小。若采用最新的SiC技术，利用两级拓扑也可以实现低开关损耗以及高效率。因此，即使充电电压范围为200 V至800 V，SiC技术仍是壁挂式直流电源箱的最佳选择。

拓扑的选择取决于快速充电站各自的隔离要求。如果市电电压已经隔离，则无需复杂的DC / DC电路，这些电路在所谓的“充电站”中常用到；若没有隔离，尽管直流充电站具有宽电压输出和风冷系统，通常它们仍需使用类似车载充电器（OBC）的拓扑。这些隔离线路通常意味着高昂的成本支出，对家庭住宅或公共充电站来说几乎不值。因此，通常使用具有隔离拓扑的充电站来确保充电过程中的安全。
结论

与交流充电站相比，直流充电站具有更高的功率密度和更短的充电时间。另外，由于其转换器电源直接位于充电点中，直流充电站技术使电动汽车内部拥有更多的可用空间。快速直流充电站（DC）在公共场所尤为常见，但也有一些适合家庭住宅的直流充电设计，例如壁挂式直流电源箱（DC Wallbox）。它很容易安装在家庭车库中，而且还可以连接到家用光伏系统。采用碳化硅功率器件可以优化功率密度、系统尺寸与成本。但住宅直流充电站是否真的会流行，将取决于电动汽车厂商的推动。电动车OEM厂商必须确保转换器被集成在充电站中，而不是作为车载充电器集成在车辆中。由此节省的汽车空间可以被更加有效地利用，使车辆具备更多的功能。