新能源汽车和汽车电子应用领域,碳化硅、氮化镓算是近年的“明星”,新基建政策更让充电桩成了今年的热搜“网红”。大功率、高频开关电源在新能源汽车“快充”应用中备受关注,然而,据了解,充电模块中的同样重要的磁性元件特别是变压器的创新反而滞后。
电源工程师都知道,电源设计总是需要在体积、效率/散热和EMI等相互制约因素之间取得板级和系统级的平衡。变压器在充电器内部占据了相当大的空间,其体积又取决于开关管的开关频率。引入开关频率更高的SiC、GaN功率管,充电桩的变压器才能更小、更容易设计,并输出更大功率。
然而,“大功率应用中,由于高频损耗和散热问题,传统变压器的构造难以提高工作频率,存在功率/频率之间的壁垒。”
为了让充电桩提速,现有快充桩只能使用多个变压器并联。这不仅需要增加相应配套元器件,而且,由于频率和功率越高,损耗就越大,应对散热管理和多变压器组装,充电桩必然做得更大。
占了好赛道,赢了起跑,你的充电桩还是有可能输在“最后一圈”。
本文就为您简单介绍新能源充电桩行业和技术现状,并通过充电桩和车载充电的一些电源模块设计案例,介绍村田创新的变压器技术如何帮您领跑新能源汽车市场。
新基建布局下直流快充“首当其冲”
新能源汽车充电桩曾被戏称为“过气明星”。2009年开始新建充电桩以来,国内充电基础设施已经累计过百万。然而,EV/HEV市场和技术却慢半拍;加上布局欠合理,投入成本高、回收期长,盈利模式单一,互联网经济期望高却始终难于“闭环”,种种因素的制约之下,有报道称充电桩的实际使用率只有15%。
充电桩产业再次“爆红”,是因为2020年国家布局新基建,明确包括“推广新能源汽车,建设充电桩”。与十年前相比,再次站在风口浪尖上的充电桩被新基建赋予了“新”的含义。首先,国内十年互联网商业模式高歌猛进,无疑为新基建投资充电桩趟出一些似可借鉴的商业模式。据了解,现有百万充电设施硬件上已基本打通,未来的一个发展方向是实现数据共享,也就是说,新基建下的充电桩产业不仅扩大规模,还要被赋予智能概念和O2O市场潜力;另外,国内外追捧以充电为主题(甚至“免费”充电为噱头)的商业中心模式很火,在“土地”、“车位”稀缺的城市赋予充电桩新的“玩法”。
其次,近几年新能源汽车的市场和技术有了较大的突破。2018年前国内新能源车续航里程不超过200公里的居多,而目前市场上新能源乘用车的电池容量则至少400公里起步;电动/混合动力汽车的电池制造能力也在快速扩展,导致电池成本显着降低;回馈到政策层面,更倾向绿色新能源的法规出台促使市场加速向汽车电气化过渡。
水到渠成,现在新能源汽车市场对快充、甚至“超冲”技术有了切实需求,毕竟,充电桩设施的本质是“加油站”,实用、快速的充电解决方案成为电动汽车大规模部署的关键。
交流充电 .vs. 直流充电
交流(AC)充电桩:俗称“慢充”,其实只是个交流供电装置,附加一些供电控制或计费功能,负载通常几个kW。完成充电功能所借助的车载充电机功率不大,不能快速充电。
直流(DC)充电桩:俗称“快充”,是固安装在车外的充电机,连接交流电网,输出直流电直接用于电动汽车的动力电池充电。负载50kW甚至更高。
交流充电桩和直流快速充电桩,在充电速度上差别很大。按照百公里耗电15kWh来估算,一辆普通纯电动汽车充满毛估需要8个小时。换种说法,交流充电每小时的续航不会超过50公里;而负载50kW的直流快充电桩仅需个把小时就能满充。目前市场标杆是30分钟做到80%续航。
而且,“对标加油站,八分钟“超冲”来了!”
为了对标加油站体验,国外电动汽车行业提出了super-fast-charging的目标,8分钟充满100kWh(450miles)。对应充电桩的负载功率(考虑到一桩单枪、双枪、甚至一拖4等情况)可以高达240kW。
发挥高频功率器件潜力关键在"最后一圈"
直流充电系统(下图),将电网中低频交流电滤波整流成直流,再通过开关电源中的功率管,将整流得到的直流电“开关成”高频交流,然后经高频变压器,变压到合适的充电电压,整流滤波成合适的直流充电电流。
直流充电系统示意
直流充电系统中变压器是占空间最大的器件之一,并且影响到整个系统的散热设计。变压器的体积取决于开关管的开关频率。
传统硅基MOS管开关频率较低,就必须配置更大的变压器。化合物半导体材料(如碳化硅或者氮化镓)的功率器件,在高速开关条件下仍然保持高效率;由于材料的宽禁带特性,SiC或GaN功率管还具有击穿电压高,功率更大,能耐高压,耐高温等优点;另外,这类材料的低导通电阻特性,产生的导通损耗更小,发热很低。
第三代半导体被认为是未来功率器件发展的大方向,然而,在充电桩应用这类大功率直流转化器中,如果还是使用传统变压器构造,要么带来高频损耗和散热问题,工作频率很难提高,要么系统设计就不得不采取多个变压器以及复杂的散热管理。
释放SiC高频率开关性能的潜力,需要变压器技术的创新。
传统的大功率变压器主要有两种,一种使用Litz线,另外一种是扁铜带绕线(Tape Wound)。
无论使用哪种传统变压器设计,由于相邻的载流导体浸没在彼此的磁场中,通过“邻近效应”产生损耗,很难达成结构紧凑单模块的高频功率磁性器件。这种“邻近效应”以及与传统结构相关的其它损耗,限制了小型化和大功率变压器可以工作的频率。
更详细来说,Litz线是多股绝缘铜线绞合,即使能使用在中高频变压器中,大电流也容易过载。加上多股铜箔之间有空隙,每根Litz线绝缘层占用空间,股数太多时降低了空间利用率,直流损耗很大。
扁铜带构造则不太适合高频,频率太高,趋肤效应更加明显。而且,扁铜带绕线十分不便,成本高,工艺难度大,寄生电容也会比较大;内层的铜箔散热就不太好了,层数很多,漏感大,临界效应越强,涡流很高。内部热难于散出去,容易形成热点,变压器结构很难用在高频。
村田的pdqb绕线技术,使用层叠构造,改进绕组之间的耦合,消除了邻近效应, 通过提高空间利用率减少了直流损耗,涡流损耗;传统的由内而外的结构,里面容易形成热点,由下而上层层相叠,每一层的散热效果相同,热量更容易散出去,从而实现了大功率变压器的高频率、高效率、小体积应用。损耗减小,功率提高,体积减小,提高了功率密度。村田创新的pdqb绕线技术可以构建200kHz以上的高频变压器,甚至可在高达250kHz的频率下工作。并拥有99.5%效率,从而大大减小电源的体积,简化充电设施的设计和散热要求。
突破“工作频率难于提高”这一壁垒,解决了EV/HEV、智能电网、工业逆变器、轨道交通、再生能源等领域迫切需要解决的难题,特别是帮助新能源汽车充电桩应用跑好“最后一圈”。
