光耦助力提升电动汽车充电站的安全与效率

    近年来，全球交通运输领域的电动化得到了飞速发展。到2012年底，全球电动汽车（EV）数量达到约18万辆。据国际能源署（IEA）的《全球电动汽车展望》报告，这个数字在2014年底增长了3.7倍，达到66.5万多辆。该报告还预测，到2020年将约有2 000万辆电动汽车在道路上行使。
    随着电动汽车的快速增长，为延长车辆的行驶里程，人们对充电基础设施的需求也随之“水涨船高”。电动汽车充电站，也称为电动汽车供应设备（EVSE），为电动汽车供电，同时提供网络互连。在本篇文章当中，电动汽车（EV）包括充电式电动汽车或纯电动汽车（BEV）、电动公交车和插电式混合动力车辆（PHEV）。图1展示了一台工作中的电动汽车充电站。

    图1 这是电动汽车在充电站充电的常见场景

    IHS汽车部门预测；全球电动汽车充电站的安装量将从2014年的100万个激增到2020年的1360万个。据这个市场研究公司估计：届时美洲的安装量将达到430万个；欧洲、中东和非洲（EMEA）地区的安装量将达到 410万个；亚洲（包括日本）的安装量将达到530万个。
    各国政府如德国、中国和美国都正在逐步将更多的资金用于开发充电基础设施。例如，中国计划到2020年建造450万个电动汽车充电站。据中国中央政府网站的报道，这将帮助实现到2020年将纯电动汽车和插电式混合动力车辆的累计生产量和销售量提高到500万台的目标。基于2014年年底建成31000个充电站的事实[注5]，要实现建造450万个充电站的目标意味着复合年增长率（CAGR）需要达到129%。
    充电站标准
    在电动汽车充电基础设施带来广阔的市场机遇的同时，也带来了亟需解决的严峻挑战。其中一个挑战就是充电系统关键部件缺乏统一的标准，比如充电线、保护机制、额定功率、插头类型、耦合器配置和通信等。与交流慢速充电相比，这些问题在快速充电系统当中更为明显，这是因为快速充电系统通常安装在共享的公共或半公共的区域。显而易见，系统不兼容会让共享变得困难。
    国际电工委员会（IEC）创立了一整套覆盖电动汽车充电的标准。例如，IEC 61851-1：2010 EV适用于以高达1000 V标准交流电和高达1500 V直流电给电动汽车充电的车载和非车载设备。IEC 61851-23：2014则规定了对直流电动汽车充电站的要求。此外，IEC 62196-3：2014规定了对电动汽车充电耦合器的特定要求。
    在全球范围内，快速充电系统目前面临着相互竞争的标准——一个是日本工业界采用的CHAdeMO协议，另一个是美国和德国汽车制造商,采用的国际自动机工程师学会（SAE International）推出的J1772联合充电系统标准（CCS，又称“Combo”标准）。这些标准在额定功率、耦合器设计、及EVSE和EV之间的通信协议等方面的规格参数各不相同。
    不过，也有人指出“没有标准之争”，这是因为他们的充电系统设计将全部功能集成在一起，同时符合CHAdeMO以及SAE标准。其中一个例子是ABB公司的Terra 53充电站。另一个相对较新的竞争性标准是中国近日审批通过的GB / T 20234——修订版。某些设计，如特斯拉的超级充电站，使用专门的充电技术。
    交流还是直流充电？
    暂且不论标准的复杂性，目前主要有两种方法将电力从车辆外部输送到车辆内部的电池：交流（ac）或直流（dc）。电网通过交流输电，而存储在车载电池中的则为直流电。因此，需要充电器来做转换工作。
    根据充电器是安装在车辆内部还是外部，可分为车载充电器（OBC）和非车载充电站。车载充电器接受来自家里以及消费者工作场所的主电力供应源提供的交流电，并将其转换为直流电以供电池充电。通常情况下，交流充电速度缓慢，这是因为这种充电器允许的额定功率受到限制——这是因为可允许的重量、空间和成本所造成的。
    直流充电法通常用于非车载充电站当中。它将直流电直接注入到车辆内部的电池。由于直流充电设备安装在固定位置，且没有大小的限制，它的额定功率可高达数百千瓦。

    图2 直流快速充电法将充电时间从小时级缩短至分钟级

    例如，SAE J1772标准将DC Level 2的规格提高到100 kW。CHAdeMO标准则将50千瓦看成是最佳的输出功率，同时考虑到了在充电站所在地获取最大功率的成本，以及电池的充电时间。特斯拉的超级充电站由多个并行工作的Model S充电器组成，可为电池输送高达120千瓦的直流电。这个充电速度相当于在约30分钟内充满行驶170英里路程所需的电力。直流快速充电法将充电的时间从小时级缩短至分钟级。图2展示了交流和直流两种充电方式。下表则列出了在交流和直流充电各自允许的最大充电功率和预估的充电时间，以供大家参考。

    交流电（ac）和直流电（dc）充电器的充电速度各不相同，两者对于适应电动汽车驾驶员的不同生活方式都是至关重要的。例如，电动汽车驾驶员可以在时间充裕的时候，比如呆在家里或工作场所的时候，使用交流电充电。相比之下，直流快速充电可以大大减少充电时间，以便让电动汽车司机更快地继续他们的旅程。快速充电是成功推出能减少顾客里程焦虑（特别是长途驾驶）的电动汽车的一个关键因素。
    充电站拓扑结构和安全隔离
    电动汽车充电站的车载电子系统以及电动汽车充电站的所有功能都需要考虑到安全隔离的需求。车载系统包括高压电池管理系统、dc-dc转换器、电动机驱动逆变器及车载充电器。对于车载系统而言，光耦合器必须在隔离功能方面具有更好的可靠性和安全性，包括栅极驱动、电流/电压感应和数字通信等。这篇文章中的讨论将集中在适用于非车载充电站设计的隔离解决方案，通常工业级器件就已经足够了。
    一般而言，一个电动汽车充电站通常包括的功能块有AC-DC整流器、功率因数校正（PFC）和DC-DC转换器，以将电压调节到适合于为车辆电池充电的水平。图3是一个直流充电站的功能模块设计简图。在高频隔离的拓扑结构当中，电气隔离功能通过高频变压器在dc-dc转换器中提供。此外，多个隔离设备提供各种信号隔离功能，同时在高电压电和低压控制器之间保持安全的隔离。在所有的这些部分，MOSFET和IGBT功率器件用于执行开关功能。

    图3　充电控制中心进行计算和执行控制指令，以实现设计功能

    位于系统中心的是在微控制单元（MCU），控制功率因素矫正（PFC）和带有脉宽调制（PWM）信号的dc-dc 转换器。充电控制系统根据电压、电流的信息和其他数据如温度和用户输入等，进行计算和执行控制指令，从而实现所设计的功能。数字通信端口用于EVSE和电动汽车充电控制中心之间的通信，之后接入云端，用于报告充电数据、远程监控和诊断等。
    光耦合器提供电流隔离和高效充电功能
    如图3所示，隔离式安全栅沿着多个光耦的耦合点形成的线上构建。这一点在确保设计符合安全监管标准方面很重要。除了电气隔离，在电源转换器中包括EV充电站中电源转换器中需要重点关注的另外一个重要因素是电力转换效率。本文介绍了如何使用目录[注17]中的几个光耦，以实施高效的充电站设计，并保证安全隔离。
    栅极驱动器
    在电动汽车充电站当中，MCU改变PWM信号，以打开或关闭MOSFET或IGBT，并调整每种状态的持续时间，以根据电池充电模式来调节输出电压/电流。从MCU 输出的PWM信号通常需要放大，以增加输出电流，并以希望的频率切换电子器件。这是通过采用名为“栅极驱动器”的器件来驱动MOSFET或IGBT栅极来实现的。
    目前，一些栅极驱动器供应商提供一整套的产品组合，包括从基本的栅极驱动器到功能丰富的集成栅极驱动器，以满足高效驱动和保护功能的设计需求。比如，ACPL-W346栅极驱动器提供2.5 A输出电流、轨到轨的输出电压范围，以及极短的55-ns传播延迟时间。这些电气规格参数对于需要保证高电力转换效率的设计来说都是必不可少的。这部分封装在SSO-6小型表面贴装器件当中，按照UL1577标准，每分钟的额定绝缘电压为5000 VRMS；按照IEC / EN / DIN EN 60747-5-5标准可以达到1140 VPEAK。通过这些标准意味着控制器和用户的安全将得到保证。
    在电动汽车充电站的设计当中，除了选择最佳的电源转换拓扑结构之外，选择先进的电力器件和合适的栅极驱动器可以帮助实现效率目标。碳化硅（SiC）的MOSFET迅速出现在商用电力设备市场上，和传统的基于硅材料的MOSFET和IGBT相比，它能够提供几个好处。其中一个好处是减少了开关损耗，因为高压 SiC MOSFET不会发生IGBT当中出现的拖尾电流损耗。此外，SiC MOSFET的电流密度高，晶元尺寸小，和硅MOSFET相比，电容更低。因此，可以实现较高的切换频率，从而提高系统的效率。

    图4　通过Avago栅级驱动和Cree SiC MosfETs提升效率

    实验结果表明，效率提升是相当显着的。这些设计分别采用了配有合适缓冲阶的AC  PL-W346和ACPL-339J，并与8-A、100-kHzSEPIC dc-dc转换器中的Cree C2M SiC MOSFET协作。当阻断电压为600-V的时候，基于SiC MOSFET的系统要比常规的基于IGBT的设计的效率高4％（图4）。图5是使用ACPL-339J驱动SiC MOSFET 的简化连接回路。

    图5 这张图展示了使用ACPL-339J 以驱动SiC MOSFET的简化连接回路

    电压和电流检测
    电动汽车的电池充电主要有以下三种方式：恒定电压、恒定电流，以及两者的组合。大多数电动汽车充电系统在充电过程的初始阶段使用恒定电压，然后在最后阶段使用恒定电流充电。为有效使用这些充电方法，各个节点的电压和几个分路的电流需要进行测量并反馈给MCU进行计算，从而相应地调整PWM信号。例如，在图3中，直流链路和充电器输出的电压需要进行连续地监测，并确保准确的读数。除了电压信息，PFC系统——经过输入和输出轨中的电力也需要进行测量。
    不少有关高效率充电系统的研究将电压和电流信息作为控制算法和电力计算中的基本参数——在这种计算当中信息的准确性至关重要。充电电压、电流和充电时间构成了充电过程中的能耗，进而转化为充电费用账单。因此，需要将测量精确度保持在一定的水平。
    测量较高电压的一种常见方法是使用电阻分压器将电压降低到一个适当的水平。然后，线性传感芯片将测量电压，并将测量数据发送到MCU。电流检测电路经常采用精密分流电阻将电流转换成小电压信号，然后通过一些信号调节器件发送给MCU。
    然而，将信号从高压领域如PFC和DC-DC转换器系统精确传送到低压控制器一直是一个挑战。这是由于在这些两个区域会发生较大的切换噪音和接地回路噪音。这些常见的电路问题会破坏数据的准确性，损坏MCU，并威胁用户安全。在这些情况下，隔离放大器如ACPL-C87X和ACPL-C79X系列都能够很方便地检测电压和电流。

    图6这个回路提供高压测量功能，可转换为独立的对地参考输出

    使用ACPL-C87X隔离电压传感器相当简单。带有ACPL-C87X的直流电压感应回路请见图6。假设VIN的ACPL-C87X额定输入电压为2V时，用户需要根据 R1 = (VL1-VIN)/VIN × R2来选择电阻R1。例如，如果 VL1 为600 V，R2为10kΩ，则R1的值为2990 k?。
    几个电阻可以组合起来以匹配目标值。例如，将2MΩ、430kΩ的和560kΩ电阻串联起来，电阻恰好等于2990千欧。降低的输入电压先通过R2和C1形成的抗混叠滤波器过滤，然后交由ACPL-C87X检测。隔离差分输出电压（VOUT + - VOUT-）经由后置放大器（U2）转换为单端信号（VOUT）。VOUT和高压侧的线电压呈线性比例关系，可以安全地与系统微控制器连接。ACPL-C87X的典型增益值为1，总传递函数就是VOUT = VL1/(R1?R2+1)。
    使用隔离放大器来检测电流也很简单。只要把分流电阻和输入端相连然后通过隔离栅获取差分输出（图7）。通过使用合适的分流电阻，大小不一的电流——从不到1A到超过100A，都可以进行测量。

    图7　通过使用合适的分流电阻，从不到1A到100A+的电流都可以进行测量

    在操作当中，电流流过分流电阻，产生的模拟压降信号会被ACPL-C79X检测到，差分输出电压在光隔离栅的另一端形成。该差分输出电压和电流振幅成比例，并可以通过运算放大器，如图6中的后置放大器转换为一个单端信号，或者直接发送到控制器自带的的模拟—数字转换器（ADC）。
    数字通信
    先进的控制方案对于实施充电站和电动汽车之间的充电控制协议是有必要的。这是另一个容易出现不同标准的领域。例如，SAE J1772详细说明了为AC Level 1 和2使用工作周期调变手段控制导频信号通信的方法。对于直流充电所需的数字通信而言，SAE委员会正在更新J2931，提出了有关控制导频信号或输电干线(mains)的电力线通信（PLC）计划。特斯拉参与了SAE委员会的这个工作，并决定使用和SAE J1772一样的信号控制方案。
    最流行的充电标准CHAdeMO（基于快速充电式电动汽车的销量）选择控制器局域网（CAN）进行快速充电。据日本协会的网站显示，由于直流快速充电器输入达到500-V / 100-A，如果出现一个错误，就有可能导致致命事故。为此，通信的高可靠性是必需的。该协会认为CAN作为汽车电子控制系统的标准通信方式已经有很长时间的高可靠记录。据报道，作为电子控制单元（ECU）用于控制充电过程的一种通信方法，其噪声容忍度超过PLC方法（“常问问题——技术”）。
    CHAdeMO标准提供了一对CAN总线，以将耦合器界面上的充电器和车辆连接起来。耦合器管脚8和9被分别命名为CAN-H和CAN-L（“技术详情”[注13]），可让CAN收发器连接。
    在CAN收发器和CAN控制器之间添加光隔离功能可显着提升系统的安全性，因为光耦提供的安全栅可以防止将任何损害级联到系统MCU。这种配置可提高极高噪音环境（如高电压的电池充电系统）中数据通信的可靠性。图8显示了如何使用光耦为快速充电站设计部署隔离CAN总线数字通信方案的方法。类似的回路也适用于车内系统。

    图8　该设置为快速充电站设计提供隔离的CAN总线数字通信

    在图8中，一对10-MBd 快速光耦合器（部分ACPL-W61L）被用来传输和接收数据。这个产品仅需要1.6 mA 的LED电流，其SSO-6封装不足传统DIP-8封装一半大小。按照UL1577的标准，ACPL-W61L每分钟可以承受5000VRMS 的高压。这部分按照可在高瞬变噪声中传输信号的标准设计，其共模瞬变抗扰度(CMTI)可达到 35 kV/μs[注30]。 为适应不同的数据传输速度，可用其他光耦代替ACPL-W61L。这包括5-MBd级别的ACPL-W21L和25-MBb的双通道双向ACSL-7210。
    结论
    在探索使用相对便宜的电力能源的同是，电动汽车终将有助于减少全球运输业对石油的依赖。它们还将有助于减少温室气体和其他污染物的排放，并将随着在发电投资组合中引入更多的可再生能源而得到进一步的改善。
    电动汽车充电基础设施是推动电动汽车在全球范围内广泛采用的一个关键因素。在一个电动汽车充电站当中，尤其是对于直流快速充电而言，会在短时间内采用复杂的电力系统来为电池提供足量的电力。安全隔离是必要的，因为低电压控制系统、高压电力系统、以及用户可访问的用户界面都同时存于一个单一的充电站当中。
    电动汽车充电器的另一个关键的设计考量因素是电力转换效率。光耦，如栅极驱动器、电压/电流传感器和数字通信光耦都在单一封装当中提供安全隔离功能和各自的电气功能，从而引领朝着系统朝着高效的方向发展。