基于光耦合器的電動汽車快速充電樁的研究動向

劉春梅

（湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南 株洲 412001）

隨著在路上行駛的電動汽車的急增，為了能在路上迅速補充能量，需要增設(shè)更多的充電設(shè)施。電動汽車充電樁就是其中的一種重要充電設(shè)施，它給電動汽車提供電氣能量和網(wǎng)絡(luò)連接。快速充電樁采用直流充電法，將直流電直接注入到車輛內(nèi)部的電池。由于直流充電設(shè)備安裝在固定位置，且沒有大小的限制，它的額定功率可高達數(shù)百千瓦，能大幅度地縮短充電時間。大功率充電樁首先要考慮充電樁的電子裝置在實現(xiàn)所有功能時都達到安全隔離的需求。由于光耦合器以光為媒介傳輸電信號，其輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力，因此光耦合器被廣泛應(yīng)用于快速充電樁的隔離電路中。

1 充電樁拓撲結(jié)構(gòu)和安全隔離

快速充電樁由AC-DC整流器、功率因素校正（PFC）段和DC-DC轉(zhuǎn)換器等功能區(qū)塊組成，如圖1所示，調(diào)節(jié)出合適的電壓等級給車輛的電池充電。在充電樁拓撲結(jié)構(gòu)中，多個光耦合器作為隔離元件提供各種信號隔離功能，保證高頻變壓器安全隔離的同時，還為高壓電路和低壓控制電路間提供電流隔離。還有的光耦合器作為柵極驅(qū)動器控制電路中的MOSFET和IGBT等功率元件，利用它們的開關(guān)功能將電壓升高。MCU利用PFC及PWM信號，基于電壓、電流及溫度和使用者輸入等信息控制DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，充電樁還具有EVSE和電動汽車之間的通信、EVSE與充電樁控制中心之間的通信、還有充電數(shù)據(jù)報告、遠程監(jiān)控及診斷信息傳輸?shù)皆贫说臄?shù)字通信端口的功能。

如圖1所示，隔離式安全柵沿著多個光耦合器的耦合點形成的線上構(gòu)建，以確保設(shè)計符合安全監(jiān)管標準方面的要求。本文介紹光耦合器在快速充電樁電路中作為隔離元件和柵極驅(qū)動器的運用情況。

圖1 快速充電樁拓撲結(jié)構(gòu)簡圖

2 CAN總線隔離

快速充電樁通過CAN總線連接的ECU有：主控ECU、電壓ECU、電流ECU、溫度ECU、顯示ECU、電池ECU、打印ECU等，同時采集和控制各個ECU的主控電壓、電流、溫度等參數(shù)，并將收集信息發(fā)給主控節(jié)點，主控節(jié)點對來自各個ECU的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理。由于快速充電樁的使用情況十分復雜，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓，雖然CAN接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過CAN控制器的極限接收電壓時，CAN控制器就無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設(shè)備。因此，為進一步增強抗干擾能力，保護充電樁通信信號的安全和穩(wěn)定，防止任何損害涉及到系統(tǒng)MCU，在CAN控制器與收發(fā)器之間必須設(shè)置光電隔離電路。

圖2顯示了如何使用光耦合器為快速充電樁建立CAN總線隔離的數(shù)字通信方案。在圖2中使用一對10MBd快速光耦合器（ACPL-W61L）來傳輸和接收數(shù)據(jù)。ACPL-W61L每分鐘可以承受5000VRMS 的高壓，其共模瞬變抗擾度（CMTI）可達到35kV/μs。

圖2 快速充電樁中CAN總線隔離的數(shù)字通信

3 隔離光耦放大器

快速充電樁中強電側(cè)容易對弱電側(cè)造成干擾，嚴重時會造成系統(tǒng)主控部分無法正常工作，甚至造成系統(tǒng)損壞，因此為防止強電側(cè)影響弱電側(cè)，電路中需要將強弱電隔離。同時還需要對母線的電壓和電流以及輸出端口的電壓和電流進行監(jiān)控，需要用隔離型的電壓電流采樣器件。AVAGO（安華高）公司推出的電壓采樣隔離光耦放大器ACPL-C87X與電流采樣隔離光耦ACPL-C79x可以用來做電壓和電流傳感器。ACPL-C87X只需接到分壓電路底部，就可以實現(xiàn)對電壓隔離采樣，而ACPL-C79x只需在需要測試電流值電路中加入采樣電阻，并將采樣電阻接到信號輸入端，輸出端就可以獲得隔離的電流采樣信號值。

快速充電樁中使用電壓采樣隔離光耦ACPL-C87X和電流采樣隔離光耦ACPL-C79x，能夠獲得無干擾的電壓和電流采樣信號，可以提高系統(tǒng)的可靠性。當充電樁系統(tǒng)發(fā)生短路、搭鐵故障、過載、電壓升高或降低等情況時，主控部分會迅速切斷電路，保護系統(tǒng)安全。

4 光耦合器的柵極驅(qū)動器

快速充電樁電路中，MCU根據(jù)高壓電池充電模式控制動力MOSFET或者IGBT的開關(guān)和各電位的時間，控制穩(wěn)定輸出電壓或電流的PWM信號，使MCU的PWM信號達到能夠驅(qū)動MOSFET或者IGBT的柵極所要的頻率，增大輸出電流幅值的元件稱為柵極驅(qū)動器。快速充電樁的設(shè)計中只有最合適電力轉(zhuǎn)換方式的選擇、選擇高性能功率元件和確切的柵極驅(qū)動器，達成目標的效率。圖3為ACPL-C87X的直流電壓感應(yīng)回路。

圖3 ACPL-C87X的直流電壓感應(yīng)回路

根據(jù)高效率驅(qū)動和保護需要的不同，柵極驅(qū)動器分為基本單一功能和集成多種功能。例如：AVAGO公司的ACPLW346柵極驅(qū)動器，特點是輸出電流2.5A，軌到軌輸出電壓以及非常短的傳送延遲時間55ns。目前功率元件市場上比硅材料功率MOSFET和IGBT好的碳化硅MOSFET得到普及，其優(yōu)點之一就是高壓碳化硅MOSFET中沒有IGBT上能見到的尾部電流損失，因此開關(guān)損失減少。并且，碳化硅MOSFET有較高的電流密度、較小的芯片尺寸，容量比硅MOSFET小，因此可以提高開關(guān)頻率，改善系統(tǒng)效率。使用ACPL-339J驅(qū)動碳化硅MOSFET的簡化連接電路如圖4所示。電路中分別采用了配有合適緩沖階的ACPL-W346和ACPL-339J，并與8A、100kHz DC-DC轉(zhuǎn)換器中的碳化硅MOSFET協(xié)作。當阻斷電壓為600V的時候，基于碳化硅MOSFET的系統(tǒng)要比常規(guī)基于IGBT設(shè)計的效率高4%。

5 總結(jié)

本文介紹了光耦合器在快速充電樁電路中作為隔離元件和柵極驅(qū)動器的運用情況。雖然光耦合器具有高電氣隔離值和低成本的優(yōu)點，但采用光耦合器的光隔離缺點也很明顯，傳播時間較長，抗噪性較低，靜態(tài)電流較高以及隨溫度和老化而迅速降低的絕緣性能等。這些缺陷使得光耦合隔離技術(shù)只能用在成本較低的低頻電源轉(zhuǎn)換器上。另外隨著基于IGBT、碳化硅和氮化鎵的功率轉(zhuǎn)換器的使用，其開關(guān)頻率可以達到幾百赫茲甚至幾兆赫茲不等，需要采用新型隔離式柵極驅(qū)動器IC在高頻下來切換寬帶隙MOSFET。

圖4 ACPL-339J 驅(qū)動碳化硅MOSFET的簡化電路