充電樁充電模塊常見結(jié)構(gòu)、原理以及市場調(diào)研

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，充電樁作為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越受到中央和地方政府的重視，對(duì)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(duì)電路進(jìn)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(shí)，充電模塊占整個(gè)充電樁整機(jī)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(shè)備生產(chǎn)廠家，面對(duì)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(yùn)，必須掌握并自主研發(fā)生產(chǎn)性價(jià)比高的充電模塊。

一、充電模塊生產(chǎn)廠家

各主流充電機(jī)模塊的型號(hào)、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(dá)中遠(yuǎn)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(dá)，臺(tái)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(duì)外銷售或自家充電樁使用。

二、充電模塊的主流拓?fù)?/p>

1、前級(jí)PFC的拓?fù)浞绞剑?/p>

（1）三相三線制三電平VIENNA：

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目前市場上充電模塊主流的PFC拓?fù)浞绞饺缟蠄D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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此拓?fù)浞绞矫肯嗫梢缘刃橐粋€(gè)BOOST電路。

由于VIENNA整流器具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其十分適合作為充電機(jī)的整流裝置的拓?fù)洹?/p>

1、大規(guī)模的充電站的建設(shè)需要大量的充電機(jī)，成本的控制十分必要，VIENNA整流器減少了功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)同時(shí)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(duì)廉價(jià)的低電壓等級(jí)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(jī)的重要指標(biāo)，VIENNA整流器控制頻率高的特點(diǎn)使電感和變壓器的體積減小，很大程度上縮小了充電機(jī)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(jī)不會(huì)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(shè)。因此，主流的充電模塊廠家均以VIENNA整流器作為充電機(jī)的整流裝置拓?fù)洹?/p>

4、每相兩個(gè)MOS管是反串聯(lián)，不會(huì)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(dòng)電路也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：

1、輸出中性點(diǎn)平衡問題：中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)會(huì)增加注入電網(wǎng)電流的諧波分量，中性點(diǎn)電壓嚴(yán)重偏離時(shí)會(huì)導(dǎo)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(diǎn)電位的平衡問題；

2、能量只能單向傳遞。

（2）兩路交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián)三相三線制三電平VIENNA的PFC拓?fù)浞绞健？刂品绞剑旱谝籚ienna變換器的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第二Vienna變換器的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開180°；第一Vienna變換器的B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第二Vienna變換器的B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開180°；第一Vienna變換器的C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第二Vienna變換器的C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開180°。通過兩個(gè)變換器的并聯(lián)，使得開關(guān)管和二極管電流應(yīng)力降低一半，可使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件；通過交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，總輸入電流波動(dòng)減小，從而減少電磁干擾，減小濾波器體積；用兩個(gè)分散的發(fā)熱器件代替一個(gè)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(shè)計(jì)。另外此拓?fù)湓谳p載時(shí)，可仍然實(shí)現(xiàn)輸入電流連續(xù)，減少了干擾。

（3）單相交錯(cuò)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(cuò)式三相三線制三電平VIENNA的PFC拓?fù)浞绞?。此拓?fù)浞绞綄⑷噍斎敕纸鉃槿齻€(gè)單相的交錯(cuò)式的PFC電路，每個(gè)之間相互交差120°。而每一路的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jī)效率。

2、后級(jí)DC-DC的拓?fù)浞绞剑?/p>

（1）兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋LLC：

（2）兩組交錯(cuò)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(cuò)式串聯(lián)二電平全橋LLC，500V的充電模塊采用的是兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋LLC。

優(yōu)點(diǎn)：

1、根據(jù)母線電壓，將分成上下兩個(gè)全橋的LLC控制，可以在不增加開關(guān)管應(yīng)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(shí)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(diǎn)：

通過調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，諧振電感和變壓器設(shè)計(jì)困難，開關(guān)頻率不固定，難以實(shí)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(yīng)力，從而使用650V的MOS管，提高整機(jī)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(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出電壓紋波?。?/p>

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(shí)，滯后臂不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；

2、整流二極管為硬開關(guān)，反向恢復(fù)電壓尖峰高，EMI大；

3、占空比丟失。

（4）三相交錯(cuò)式LLC:

華為，通合電子采用的這種三相交錯(cuò)式LLC。該轉(zhuǎn)換器包含3個(gè)普通LLC諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器分別以120°相位差運(yùn)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(gè)小尺寸的磁性組合，減小整機(jī)的高度。但是其控制復(fù)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(cuò)式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS：

（7）兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS：

兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS和兩組交錯(cuò)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。

三、充電模塊技術(shù)要求和特點(diǎn)及發(fā)展方向

四、自主研發(fā)方案

1、初步方案：

2、控制板配置方案對(duì)比

方案1：DSP+ARM方案

方案2：DSP+ARM方案

方案對(duì)比：如下表

3、充電模塊V2.0的主要任務(wù)

4、電源的發(fā)展方向和規(guī)劃

在充電模塊的電流檢測電路中，會(huì)使用霍爾電流傳感器，我們可以把電流檢測分為幾個(gè)范圍。

1，檢測5A到70A的直流或交流電流。

檢測5A到50A的直流或交流電一般選用芯片式的霍爾電流傳感器，比如

CH701電流傳感器IC，是工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測和管理、開關(guān)電源和過電流故障保護(hù)。

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

2，檢測50A到200A的直流或交流電流。

可以選用直插型的電流傳感器

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1 mΩ 的初級(jí)導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150度全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

審核編輯：湯梓紅