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行業知識

充電樁充電模塊常見結構、原理以及市場調研

2023-03-15 17:20:06 Gopower

充電樁充電模塊常見結構、原理以及市場調研

      隨著電動汽車的快速發展,充電樁作為電動汽車產業的基礎設施建設越來越受到中央和地方政府的重視,對充電樁電源模塊的要求也越來越高,充電模塊屬于電源產品中的一大類,好比充電樁的“心臟”,不僅提供能源電力,還可對電路進行控制、轉換,保證了供電電路的穩定性,模塊的性能不僅直接影響充電樁整體性能,同樣也關聯著充電安全問題。同時,充電模塊占整個充電樁整機成本的一半以上,也是充電樁的關鍵技術核心之一。因此,作為充電樁的設備生產廠家,面對激烈的市場競爭,避免在行業洗牌階段被無情的淘汰出局的悲劇命運,必須掌握并自主研發生產性價比高的充電模塊。

一、充電模塊生產廠家

      各主流充電機模塊的型號、技術方案,技術參數和尺寸等相關參數如下表所示。

      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(艾默生),盛弘,麥格米特,核達中遠通,新亞東方,金威源,優優綠源,中興、凌康技術,健網科技,菊水皇家,泰坦、奧特迅,英耐杰,科士達,臺灣的飛宏,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外銷售或自家充電樁使用。

二、充電模塊的主流拓撲

  1、前級PFC的拓撲方式

    (1)三相三線制三電平VIENNA

      目前市場上充電模塊主流的PFC拓撲方式如上圖所示:三相三線制三電平VIENNA,英可瑞,英飛源,艾默生,麥格米特,盛弘,通合等均采用此拓撲結構。此拓撲方式每相可以等效為一個BOOST電路。

      由于VIENNA整流器具有以下諸多優點,使得其十分適合作為充電機的整流裝置的拓撲。

      1、大規模的充電站的建設需要大量的充電機,成本的控制十分必要,VIENNA整流器減少了功率開關器件個數同時其三電平特性降低了功率開關管最大壓降,可以選用數量較少且相對廉價的低電壓等級的功率器件,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的重要指標,VIENNA整流器控制頻率高的特點使電感和變壓器的體積減小,很大程度上縮小了充電機的體積,提高了功率密度。

      3、VIENNA整流器的高功率因數和低諧波電流,使充電機不會給電網帶來大量的諧波污染,有利于充電站的大規模建設。因此,主流的充電模塊廠家均以VIENNA整流器作為充電機的整流裝置拓撲。

      4、每相兩個MOS管是反串聯,不會像PWM整流器那樣存在上下管直通的現象,不需要考慮死區,驅動電路也相對容易實現。

  缺點

      1、輸出中性點平衡問題:中性點電壓的波動會增加注入電網電流的諧波分量,中性點電壓嚴重偏離時會導致開關器件以及直流側電流承受過高電壓而損壞。因此必須考慮直流側中性點電位的平衡問題。

      2、能量只能單向傳遞。

      (2)兩路交錯并聯三相三線制三電平VIENNA

      杭州中恒電氣自主研發使用的充電模塊采用的是兩路交錯并聯三相三線制三電平VIENNA的PFC拓撲方式。控制方式:第一Vienna變換器的A相驅動信號與第二Vienna變換器的A相驅動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°;第一Vienna變換器的B相驅動信號與第二Vienna變換器的B相驅動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°;第一Vienna變換器的C相驅動信號與第二Vienna變換器的C相驅動信號同頻率同幅值、占空比各自獨立、相位錯開180°。通過兩個變換器的并聯,使得開關管和二極管電流應力降低一半,可使用傳統半導體器件;通過交錯并聯技術,總輸入電流波動減小,從而減少電磁干擾,減小濾波器體積;用兩個分散的發熱器件代替一個集中的發熱器件,在總熱量沒增加的基礎上可方便PCB布局和熱設計。另外此拓撲在輕載時,可仍然實現輸入電流連續,減少了干擾。

      (3)單相交錯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式三相三線制三電平VIENNA的PFC拓撲方式。此拓撲方式將三相輸入分解為三個單相的交錯式的PFC電路,每個之間相互交差120°。而每一路的驅動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,提高整機效率。

      2、后級DC-DC的拓撲方式

      (1)兩組交錯式串聯二電平全橋LLC

      (2)兩組交錯式并聯二電平全橋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式串聯二電平全橋LLC,500V的充電模塊采用的是兩組交錯式并聯二電平全橋LLC。

      優點

      1、根據母線電壓,將分成上下兩個全橋的LLC控制,可以在不增加開關管應力的情況下,使用成熟的二電平全橋LLC控制電路。

      2、采用全橋LLC算法,可以實現整流二極管的零電流關斷,提高效率,減小EMI。

      3、輕載特性比較好。

      缺點

      通過調節頻率實現輸出電壓的調節,難以實現輸出電壓的寬范圍調節,諧振電感和變壓器設計困難,開關頻率不固定,難以實現更大容量。

    (3)三電平全橋移相ZVS

        英飛源、維諦技術(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,可以減小開關管的電壓應力,從而使用650V的MOS管,提高整機開關頻率,減小輸出濾波電感的尺寸。

        2、移相全橋技術可以實現輸出電壓的寬范圍調節,同時輸出電壓紋波小。

        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,滯后臂不容易實現軟開關。

        2、整流二極管為硬開關,反向恢復電壓尖峰高,EMI大。

        3、占空比丟失。

      (4)三相交錯式LLC

      華為通合電子采用的這種三相交錯式LLC。該轉換器包含3個普通LLC諧振DC-DC轉換器,每個轉換器分別以120°相位差運行。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個小尺寸的磁性組合,減小整機的高度。但是其控制復雜。

      (5)三電平全橋LLC:

        盛弘電氣,茂碩電源采用三電平全橋LLC。

      (6)兩組交錯式串聯二電平全橋移相ZVZCS:

      (7)兩組交錯式并聯二電平全橋移相ZVZCS:

      兩組交錯式串聯二電平全橋移相ZVZCS和兩組交錯式并聯二電平全橋移相ZVZCS兩種方案跟上述(1)(2)的結構方式類似,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。

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