快速充電

為此，汽車充電必須要採取另一種截然不同的全新方法。目前開進充電站或在充電站停留的概念仍有其關聯性，但或許只適用於較長的旅程。更可行的方式，可能是趁電動車停在公司、購物中心或車站時一邊進行充電，確保汽車隨時充了再開。 電動車充電選項多樣　前瞻性概念逐漸萌芽 多數車輛皆支援透過標準家用的單向交流電(AC)電源進行充電，讓所有消費者能在家利用晚上時間為汽車充電。AC充電解決方案的範圍包括，將車輛接到家裡的電源插座，再接到線上控制與保護裝置(IC-CPD)，最後接到整合在電源插座和車輛之間的小接線盒。部分解決方案可能裝載於壁掛式固定裝置內，也就是所謂的「壁掛式機櫃」充電器。此方法通常會在電源裝置和車輛之間加裝一個通訊元件，並內含接地和保護功能。 不過，電池充電需要的是直流(DC)電源，因此車輛內建的充電電子元件必須將AC轉換為DC。包括空間、散熱、效率和重量等設計限制全都變成限制充電時所能傳送的電池容量，以及限制電池充電速度的因素。再清楚不過的一種做法，就是利用車外通用型DC充電器為各種車輛提供電力，如此便不需要將AC-DC轉換器放在車內(圖1)。  圖1　各種電動車充電選項 隨著各國開始出現大容量電池，許多前瞻性的概念開始萌芽，亦即將這些電源整合到我們日常的電力需求之中。有些概念考慮將這些需求結合到太陽能發電策略中，利用家庭和商業大樓內的再生能源為電動車充電，同時在發生斷電狀況時將其做為備用電力，或是用來緩解尖峰需求。這種Vehicle-to-Building(V2B)方式已在美國底特律市使用一批可雙向輸電的Fiat 500e電動車完成測試。 這個創意甚至還能加以延伸，考量全國的電力需求，將電力需求往上提升，更全面地轉移到再生能源搭配Vehicle-to-Grid(V2G)的實作。荷蘭與三菱汽車(Mitsubishi)合作，利用OUTLAND PHEV進行V2G的試驗，將家庭平均每日用電量儲存在車內。這樣的創意確實增加了充電解決方案的需求，因為它不只需要提供高效率的AC-DC轉換，還需要額外執行DC-AC轉換，以將電力回送到電網內(圖2)。 圖2　替代的充電方式 充電標準儘管同時反映V2B和V2G的需求，但對於如何精準實作到全國或國際上卻未有足夠的說明。其他選項似乎未能得到廣泛的支援，像是用充飽電的電池替換用完的電池。不過，這種解決方案在印度等特定市場較受到青睞，尤其是針對二輪和三輪車及巴士的解決方案。 感應式充電仍是解決一切問題的妙計，讓汽車能利用埋在停車場地底下的線圈，將電力傳送到車上的線圈來充電。雖然這種充電方式已經使用在行動手持裝置上，但對齊兩個線圈的過程中會產生耗損，還有需要傳送的電量，使得這種方法目前只能侷限在特定的使用案例。 複製加油便利性　快速DC充電架構不可少 如果要將內燃機車輛加油的便利性，複製到電動車使用者身上，充電站將需要提供大量電力。典型的22kW充電解決方案可提供AC充電，供應足夠行駛120分鐘200公里的電力，適合用在車主上班時能整天充電的汽車。但如果要將200公里的充電時間縮短到16分鐘，則需要靠150kW的DC充電站。甚至提高到350kW後，供應相同電量所需要的時間，將與現在進入加油站所需要的時間差不多，大約7分鐘。但要注意的是，要加快充電速度，汽車電池也必須支援此充電方式(圖3)。 圖3　充電系統的基本結構 快速DC充電器的終極目標，就是廣泛將架構標準化，包括輸出電壓的範圍和支援的電力傳送。輸入電力預期介於300Vac至400Vac，並透過AC-DC和DC-DC轉換器轉換為連接汽車所需要的DC電壓。另外，也需要實作資料傳輸通道，以提供關於汽車和電池充電狀態的資訊。汽車資訊和車主資料還可成為最終元件的一部分，作為用來處理付款作業的安全資料通道。 雖然目前多數的實作都限定在50kW左右，但目前所定義的仍為350kW高充電功率。電源連接器定義能容納未來所需要的電力汲取，支援最高1000Vdc電壓，200A電流。 針對家庭使用，電力汲取則受限於本地基礎設施。壁掛式機櫃充電器雖然可以供應兩相或三相電力，但無法支援22kW以上的功率。不過，針對原本便設計供大規模電動車充電的環境，像是停車場和高速公路休息站，可以預期將會有完整的充電停車位。10至30kV的中電壓隔離式變壓器能為高功率充電器供電，每一部可供應到最高350kW的功率，同時以全速為多輛汽車進行超快速充電。在變壓器隔離的情況下，除簡化電力電路，也能改善整體效率。 另一方面，充電站也會廣設在商場或購物中心的停車場。充電點的形態與大小將類似於一座加油機，尺寸大約可提供最高150kW的功率。不過，由於是用三相低電壓的電網連線，因此並非所有充電器都能同時以全功率運作(圖4)。 圖4　DC充電生態系統概覽 充電點本身通常會是壁掛式機櫃或充電樁(如上所述的一部直立裝置)。其實作方式包括從單一充電次單元，到日後可隨需升級為更高充電功率的多重次單元。 充電器次單元(經常遭誤解為模組)目前可提供AC轉DC的轉換，最高功率介於15kW至20kW，次單元經過堆疊，可提高充電樁供應的整體功率。 但隨著對加快充電速度的需求提高，趨勢開始轉為使用每部大小約50kW以上的次單元。次單元本身的結構結合了獨立元件或功率模組，主要取決於其想要達成的設計規格。 標準化建構基礎實現安全/充電通用化 汽車的能量來源轉型，衝擊到許多產業，將許多原本鮮少涉及汽車業或甚至完全無關的新廠商拉了進來。與半導體業關係久遠的汽車原始設備製造商(OEM)則為例外，他們的角色能為這個開發中市場的部分其他廠商提供連結。 如同現在的汽車OEM不會自己經營加油站，未來他們也不會將重心放在為電動車提供充電基礎設施，因為這是充電器製造商的工作，這些製造商已有相關的經驗，瞭解如何為類似應用開發電力管理解決方案。至於安裝與管理則交給充電點營運商，他們會設法選出最具能源效率和經過成本最佳化的解決方案；他們的後端系統將管理需求，預測更適當的能源價格，同時處理安全付款機制。最後一片拼圖是能源供應商，他們的支援是確保整個基礎設施專案能實現，確保電網將電力送到需求點的必備要素。 充電樁的標準化工作已經在進行中，目的是為了確保消費者能有一個安全、簡單且全面通用的方式來為其汽車充電。來自歐洲和美國的相關廠商(包括英飛凌)合作成立了CharIN e.V.協會，一個專為開發及推廣聯合充電系統(Combined Charging System, CCS)而設立的組織。他們的規格定義從充電順序和資料通訊，到實作的插頭類型等範圍。此外，也有一些類似的組織成立，在日本推廣CHAdeMO和在中國推廣GB/T等替代方案，另外像Tesla也有自家的專有系統。 CharIN標準可透過單一連接器同時支援AC和DC充電，已獲得國內和國際性標準機構的認證。其AC充電符合IEC 61851第1節和第22節的要求，DC充電則符合第1節和第23節的涵蓋範圍。在插頭和插座方面，則應參考IEC 62196第2部分關於Type 2 AC連接器和第3部分Combo 2 DC連接器(歐盟)，以及第1部分Combo 1連接器(美國)的內容。 快速充電須考量多樣要素 電池充電可視為恆定電流應用的實作，不需要考量過載的情況。一般電池充電是在恆定電流(CC)模式下以¼C實作，其中的C定義電池在一小時內的充電或放電速率。當充電程序達到80%左右時，電流仍會保持固定，但電壓則持續穩定提高，直到達到電池的Vmax。一個200Ah電池組需要的時間大約是4小時，之後電池將改以恆定電壓(CV)模式充電。 快速充電需在前20分鐘用2C的速率為電池充電，後面的階段用1C充電10分鐘，最後則用½C繼續充4分鐘。一個200Ah的電池組可在34分鐘內達到80%電量，約等於300公里的行駛里程。只不過，DC快速充電還是存在許多限制。首先，它受限於所用的電池充電技術。除此之外，電池的配置、熱管理實作，以及電池芯的互連方式也都必須納入考量(圖5)。 圖5　典型的快速充電設定 在充電器方面，CharIN規格設想的最高恆定電流輸出在700Vdc下為500A，支援至最高920Vdc。但電池系統也必須另外建立一些機制，以應付快速充電所導致的衰退情況，並整合最高1000Vdc的隔離功能。最終解決方案的效率應該要達到95%以上，並在日後提升到98%。最後別忘了，300kW耗損1%的效率，等於耗損掉了3kW。此外，纜線在500A全負載下每公尺也會發生100W的功率耗損。 功率循環的影響與其他功率應用相較下偏低，熱循環對私人設備的影響微乎其微，甚至毫無影響，但對公用充電站的設計來說則是一大挑戰。例如，私家車在10至15年使用壽命內每年充電最多5,000次，而大眾運輸車輛(例如巴士)的充電器在15至20年使用壽命期間的充電次數則可能達到30,000次。 遵循兩大方法達到快速DC充電 高功率DC充電器的設計方式主要遵循兩種基本方法，一種是將輸入的三相AC電源轉換為可變的DC輸出，饋入DC-DC轉換器。充電器必須經過與車輛通訊，才能定義出精準的DC電壓；另一種方法是將輸入的AC電源轉換為固定的DC輸出，然後再經由DC-DC轉換器轉換為汽車所需要的電壓(圖6)。 圖6　兩種有潛力的高功率DC充電器方式的方塊圖 這兩種方法都同樣適用於本應用，沒有重大的優點或缺點。但與其將重心放在轉換方法上，最主要的考量還是在於實作如何將所需的散熱效果降到最低、提高功率密度，以及縮小整個系統尺寸。 高功率密度需要靠強制進氣散熱(現行的標準)，但新一代充電解決方案正在尋找可行的水冷式解決方案。精簡型解決方案必然需要考慮更高的切換速度，也就是32kHz至100kHz之間的範圍，以縮小磁性元件的尺寸。 最簡單且符合成本效益的AC-DC轉換方法，就是使用二極體整流器。但其簡化設計讓設計人員只能視本地的三相供應電壓使用固定的輸出電壓，還有不理想的總諧波失真(THD)。雖然線路電流的諧波失真可透過實作多脈衝整流器來加以改善，但卻需要採用更複雜的變壓器和額外的整流二極體。 使用三相主動前端(AFE)則可解決THD的問題，其可以提供正弦形的輸入電流，同時供應可變DC輸出電壓至後續的輸出級。為減輕額外的複雜度，閘極驅動器需使用隔離式電源供應器，另外也需使用輸入濾波器，而這類拓撲已經過詳實的記錄和研究，並已通過考驗，是適合本應用的解決方案。 另一種雖然現行較少使用，但越來越受歡迎的選擇，則是Vienna整流器。這是一種三相三階的PWM整流器，只需要三個主動式開關，並具備雙重升壓型功率因子校正(PFC)(圖7)。可以控制輸出電壓，甚至在電力不平衡或其中一相中斷的情況下也能運作。這種整流器也很堅固耐用，即使控制電路故障，輸出或前端仍不會短路。與AFE相同，其輸入電流為正弦波，各種實作所顯示出來的功率因素最高可達到0.997，THD低於5%，效率達97%以上。 圖7　AC-DC轉換器的整流器與PFC選項 在DC-DC轉換級中，諧振拓撲因效率的緣故而較常被採用。在整體實作需要的情況下，也可在其中加入電氣隔離。此種設計可實現更高的功率密度並縮小體積，尤其在變壓器整合一次側電感器的應用中；零電壓切換(ZVS)能夠降低切換耗損，對提高整體系統效率有所幫助(圖8)。在電網隔離架構中，多重交錯式降壓轉換器是最適合的DC-DC拓撲選擇，其優點包括可跨相分享負載，減少漣波和濾波器的尺寸，但代價是需要的元件數量較多。 圖8　DC-DC轉換主要搭配串並聯LLC諧振轉換器實作 快速DC充電器實作方式 中國市場擁有目前最成熟的快速DC充電實作，普及率達80%(相較下，歐洲、中東及非洲為15%，美洲只有5%)。這裡15kW以下的解決方案最普遍，但預計2020年時20kW會成為最主要的次單元選項，另外到2023年也會出貨大量的30kW和超過60kW的單元。這反映出市場趨勢是往350kW的高功率充電發展。為此，電源方案供應商如英飛凌，開始發展各式矽解決方案，像是功率模組、閘極驅動器IC、微控制器解決方案等，也提供可靠的驗證解決方案和安全控制器，保護付款與系統安全性(圖9)。 圖9　英飛凌的DC電動車充電設計產品 建議採用的方法，取決於欲達到的總功率輸出目標，同時也會影響到次單元的拓撲和建構方式。針對30kW以下的壁掛式裝置和充電樁，建議採用獨立的功率裝置，至於350kW則有專用於實作的功率模組。介於50至150kW之間的應用，是否選擇獨立功率元件或功率模組，則從環境因素、空間和價格作決定。 30kW至150kW為常見解決方案 常見的做法是使用15kW至30kW的次單元建構快速充電器，再將其堆疊成150kW的電動車充電解決方案。採用獨立裝置的15至30kW次單元和充電器實作，則可選擇Vienna整流器來進行40kHz的PFC級切換(圖10)。 圖10　由獨立裝置製成的充電器典型拓撲 用於氣冷系統的三相、380V/50Hz電源，TRENCHSTOP 5 IGBT與CoolSiC肖特基二極體的結合，經過整合後會是很適合具成本考量之應用的解決方案。使用碳化矽(SiC)二極體，其效率比傳統Si二極體高出0.8%，支援的功率輸出也能多出80%。將IGBT換成600V CoolMOS P7 SJ MOSFET，則能改善0.5%的效率。 在DC-DC轉換器中，通常使用諧振轉換器來進行頻率最高達300kHz的切換，並依電池充電電壓供應200V至700V。其中600V CoolMOS CSFD，或用於30mΩ以下RDS(on)的600V CoolMOS CFD7...

對電源設計者來說，要完成一個電源系統設計，傳統上多半是以分立元件(Discrete)組成，但隨著半導體跟封裝技術不斷進步，現在有越來越多元件供應商開始提供整合好的電源模組方案，甚至有專門提供電源模組的品牌業者。這意味著電源設計者有了更多樣化的選擇，但在何種情況下適合使用傳統電源設計架構，何種情況下又該考慮直接導入模組化電源？事實上，這兩種解決方案各有優劣，電源開發者在評估時必須做好各種考量。 改用模組方案？　四大重點釐清頭緒 亞德諾(ADI) μModule電源產品業務開發總監Afshin Odabaee表示，模組方案的優勢包括擁有預先組裝的完整系統級封裝，供應商在其操作溫度範圍內，通常會對產品進行100%電氣測試，確保模組內的所有元件，包括DC/DC穩壓器IC、電感器、電容器和MOSFET均合乎溫度、衝擊和振動、電源週期以及其他熱、電和機械應力使用。 使用模組方案的客戶在進行PCB布局時是非常容易的，可使PCB布局更改需求降至最低、甚至不需更改，以避免在重新設計上浪費資金，並加快設計週期。以ADI的μModule方案為例，該模組可處理DC/DC電路的所有困難工程問題，例如雜訊、電感，EMI，布局，接地迴路等。最後，使用μModule穩壓器時，類比和電源設計知識所需最少；相較之下，使用分立式方法則需要較深入的專業知識和多年的經驗累積，以避免多次PCB更改。 不過，分立元件還是有模組方案所不具備的優勢，例如其成本較為低廉，此外，電容器和電阻器等元件之間的選擇可以較為靈活，能滿足某些比較特別的規格要求。 因此，當電源開發者在評估究竟該使用分立元件或模組方案時，應該考慮的重點有四： 一、自家團隊是否有時間從頭開始設計電源，並準時完成設計驗證？如果沒有，那麼則使用模組化方案。如果有，則可將模組方案與分立式解決方案進行比較，然後根據尺寸和電氣/熱/機械性能等做出選擇。 二、是否有已知且經過驗證的DC/DC穩壓器解決方案，可以為FPGA，ASIC、GPU等處理器供電？μModule穩壓器用於英特爾(Intel)、賽靈思(Xilinx)、博通(Broadcom)等公司的多樣化參考設計中，如果需要快速且經過驗證的解決方案，則可參考這些參考設計來運用μModule穩壓器。 三、設計專案是否對DC/DC穩壓器解決方案有嚴格的PCB面積和高度限制？如果是，則可優先考慮模組方案，目前μModule產品線已經有非常小巧且超??薄的封裝。開發團隊可以將採用模組的設計與分立式方案進行比較。 四、電源開發或採購團隊是否擔心分立式DC/DC穩壓器電路中使用的元件停產(EOL)問題？如果是，則可使用μModule調節器。ADI會為EOL負責和處理二次採購。 因應大功率設計挑戰　模組方案更實際 除了前述評估考量外，在某些非常強調大功率的電力電子應用領域，使用模組解決方案也遠比使用分立元件來得實際，例如電動車的充電樁設備就是一個典型案例。 英飛凌(Infineon)工業電源控制事業處主任工程師林彥任表示，以充電樁應用來說，因為市場對於快充功能的需求十分殷切，充電樁的輸出功率規格要求提升得非常快，因此相關設備的供應商很難光靠分立元件來完成產品設計。此外，面對大功率需求，多路並聯是必然要採取的設計架構，這也使模組解決方案變得更具吸引力。 因此，英飛凌針對碳化矽(SiC)產品線的產品規畫，將採取分立元件跟模組並行的策略，且會更側重在模組方案上。目前已經量產的SiC功率模組有Easy 1B/2B；採用62mm外觀尺寸規格的SiC功率模組，則已經有工程樣品。 以模組實現異質整合　超前衛電源設計很吸睛 除了動輒數十到上百kW的電動車相關應用，在伺服器產業，由於機器學習(ML)等人工智慧(AI)的需求大爆發，使得高階伺服器飛快朝CPU搭配GPU的異質運算架構演進。如何為GPU等非x86處理器供電，成為一門新的商機。 懷格(Vicor)應用工程師楊有承表示，在伺服器領域，異質運算是未來很重要的發展趨勢，同時也帶動了非x86處理器，例如GPU跟ASIC的電源配套方案需求。而且，相較於英特爾(Intel)的x86處理器，GPU跟ASIC所需要的電源供應方案，客製化需求其實相當高，因為NVIDIA等業者不會像英特爾一樣，針對電源供應制定產業標準。 舉例來說，NVIDIA針對伺服器所推出的GPU板卡，其板載電源就是由ADI跟Vicor兩家供應商的電源模組所構成，且負責對GPU晶片供電的Vicor模組，就直接配置在GPU旁邊。對一般的電壓調節(VR)方案來說，把電源放在距離處理器這麼近的位置，雜訊是最大的挑戰。Vicor因為有獨家的弦波振幅轉換(SAC)技術跟模組設計架構，可以把雜訊抑制在極低的水準，故才能獲得NVIDIA的青睞。 低雜訊這個優勢，也讓Vicor開始探索更前衛的電源設計架構，例如直接把電源配置在處理器/ASIC的封裝基板上，甚至是直接放在封裝基板的背面，主晶片的正下方。電源離負載點越接近，功率損失就越小，去耦電容的容值需求也越低。