【導(dǎo)讀】長(zhǎng)期以來(lái)，里程焦慮和充電設(shè)備有限一直是電動(dòng)汽車普及的主要障礙。即使汽車制造商已經(jīng)證明其電池可以支持更長(zhǎng)距離的行駛，并且充電站數(shù)量也已經(jīng)激增，但電動(dòng)汽車充電仍然存在諸多挑戰(zhàn)，不過(guò)這同時(shí)也為平衡電網(wǎng)負(fù)荷提供了機(jī)遇。
向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)型同時(shí)也意味著要研究如何更好地與電網(wǎng)的互動(dòng)。電動(dòng)汽車配備了重量更輕、功率密度更高的電池，不僅可以增加行駛里程，并且還有可能用于支持獨(dú)立負(fù)載。同時(shí)，車載充電機(jī)（OBC）向雙向能量傳輸方向的更新演進(jìn)，使得 OBC 既能從電網(wǎng)獲取電能，又可將電能反饋至電網(wǎng)。
Wolfspeed 屢獲殊榮的 6.6 kW 雙向 OBC，基于其新型 650 V 碳化硅（SiC）MOSFET，能夠在電動(dòng)汽車和為其供電的電網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)中發(fā)揮至關(guān)重要作用。
OBC 的單向挑戰(zhàn)
除了在最崎嶇和最偏僻的地區(qū)外，燃油車駕駛員很少擔(dān)心汽車在加油站之間沒(méi)油。但電動(dòng)汽車自問(wèn)世以來(lái)，就一直有著對(duì)于行駛里程的擔(dān)憂。盡管充電站正在變得越來(lái)越普遍，并被集成到新的住宅開(kāi)發(fā)中，但電動(dòng)汽車可以跑多遠(yuǎn)、電池容量以及電量保持時(shí)間仍是有待改進(jìn)的領(lǐng)域。
OBC 的數(shù)量在不斷增長(zhǎng)，并且隨著電動(dòng)汽車本身的發(fā)展而發(fā)展，但 OBC 的功率沒(méi)有快速充電機(jī)那么大。快速充電機(jī)可在一個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間為汽車充好電，而 OBC 則需六至七個(gè)小時(shí)。單向OBC 的一個(gè)更大缺點(diǎn)是，停駛的車輛會(huì)慢慢放電，這既浪費(fèi)了電能，也浪費(fèi)了金錢。但此問(wèn)題也倒逼出一種解決方案。它為電動(dòng)汽車打開(kāi)了向電網(wǎng)反饋電能的大門，而不是讓能量緩慢“泄漏”。雙向能量傳輸?shù)?OBC 不僅可從電網(wǎng)中獲取電能，且可以反饋能量至電網(wǎng)。從而使得一輛電動(dòng)汽車可以助力一座城市整體電力基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)載平衡。
雙向性同時(shí)也對(duì)需要充-放電循環(huán)的車載電池有好處，而不是總以 80％的電量充電。車載電池最好也要偶爾完全放電，這與智能手機(jī)的情況很相似。在大多數(shù)情況下，保持電池充滿電也就意味著你的所有組件始終處于充電狀態(tài)，這會(huì)縮短其使用壽命。這也就意味著要提前更換電池，和智能手機(jī)一樣，這是件很費(fèi)錢的事。在理想條件下，OBC 應(yīng)該可以在汽車電量剩下 30％的時(shí)候智能感測(cè)到這一情況的發(fā)生，然后通過(guò)將這些剩余電能反饋至住宅所在電網(wǎng)以及再將汽車重新充滿電，從而進(jìn)行電池的充-放電循環(huán)。
采用雙向 OBC 的目的是期望可以在傳送過(guò)程中以最小的損耗有效地來(lái)回傳送電能。盡管有多種解決方案選擇，但 Wolfspeed SiC MOSFET 在優(yōu)化雙向 OBC 方面仍然比其它器件有著更多優(yōu)勢(shì)。
OBC 的電網(wǎng)供電機(jī)會(huì)
OBC 解決了由于充電站基礎(chǔ)建設(shè)和非車載充電機(jī)配備有限而引發(fā)的擔(dān)憂。非車載充電機(jī)雖然速度快，但只能在充電站使用，并且有時(shí)候它們還是專有的或有使用限制的。此外，每天花在前往充電站及等待的時(shí)間，就通勤而言，時(shí)間成本顯得有些得不償失。
盡管 OBC 比充電站的非車載充電更具優(yōu)勢(shì)，但其充電速度較慢，這意味著需要夜晚在家里或白天上班時(shí)充電，這與大多數(shù)人給其智能手機(jī)充電的方式相同。這就是為什么 OBC 車輛中的電池需要循環(huán)使用的原因，這也使得雙向充電水到渠成。
在中國(guó)，雙向 OBC 實(shí)際上將汽車變成了一個(gè)移動(dòng)電源，這成為對(duì)客戶的一個(gè)有價(jià)值的賣點(diǎn)。
雙向 OBC 可能實(shí)現(xiàn)的另一種應(yīng)用場(chǎng)景是，可將多輛汽車在一個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)互接，以產(chǎn)生大量電能為電網(wǎng)供電。個(gè)人可以在夜間以低費(fèi)率“購(gòu)買”電能，再在白天以高價(jià)“賣”回。
當(dāng)今的雙向 OBC 可以是基于絕緣柵雙極晶體管（IBGT-）或碳化硅（SiC-）的。 SiC 器件是 OBC的最佳解決方案，因?yàn)榕c Si 器件相比，它們尺寸更小、整體系統(tǒng)成本更低、效率更高。
高效雙向 OBC 的 SiC 解決方案
鑒于 SiC 的諸多優(yōu)勢(shì)，Cree 旗下 Wolfspeed 著手設(shè)計(jì)基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 雙向電動(dòng)汽車OBC。
設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一種具有高功率密度的高效雙向 OBC，可用于支持獨(dú)立負(fù)載并反饋電網(wǎng)電能。一種數(shù)字控制的參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這一訴求，其連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）圖騰柱（totem pole）PFC 的開(kāi)關(guān)頻率為 67 kHz、CLLC 諧振變換器的開(kāi)關(guān)頻率為 150-300 kHz，可實(shí)現(xiàn) 54 W/in3的功率密度和高于 96.5％的峰值效率。
鑒于需要優(yōu)化電動(dòng)汽車的空間和重量，高密度和效率最大化就變得至關(guān)重要。Wolfspeed 的 OBC方案由雙向 AC-DC 轉(zhuǎn)換器和絕緣型的雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成，能夠在充電和放電模式下均能提供高效率和寬輸出電壓范圍。
為了降低傳輸損耗，Wolfspeed 避開(kāi)了傳統(tǒng)的 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)槎O管橋式整流器的損耗大，也不支持雙向操作。由于 SiC MOSFET 的體二極管具有良好的反向恢復(fù)性能，因此可以使用交錯(cuò)式 CCM 圖騰柱 PFC 作為 6.6 kW OBC 的前級(jí)。
設(shè)計(jì) OBC 時(shí)，熱管理也至關(guān)重要。通常，將 TO-247 封裝的 MOSFET 反向組裝在 PCB 上，然后安裝在平坦的冷卻基板上。但是，由于 MOSFET 向下彎曲，因此 PCB 面積增加了。這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體功率密度產(chǎn)生不良影響。因此，使用了工具化的散熱器來(lái)容納半導(dǎo)體和磁性材料。通過(guò)將功率
半導(dǎo)體安裝在散熱器的外側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)垂直 MOSFET 組裝，從而減小了 PCB 的面積。然后，使用散熱片槽隙內(nèi)的導(dǎo)熱膠灌封磁性材料。最終實(shí)現(xiàn)工具化鋁制散熱器到系統(tǒng)冷卻基板間較低的熱阻。
基于 SiC MOSFET 的 6.6 kW 雙向 OBC 轉(zhuǎn)換器在充電和放電模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其效率和功率密度都很高，因此雙向 OBC 不僅可以高效地對(duì)電池進(jìn)行充放電循環(huán)，還可以更有效地將電能反饋至電網(wǎng)。
高能效原型
通過(guò)設(shè)計(jì)和評(píng)估在 6.6kW 雙向 OBC 方案中采用其新型 650 V SiC MOSFET，Wolfspeed 展示了為開(kāi)發(fā) OBC，如何在 250-450 V 的普通電池電壓范圍內(nèi)，將直流母線電壓范圍優(yōu)化為 385-425 V。
此外，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的性能和熱完整性。由于 650 V SiC MOSFET 的低功率損耗，以及通過(guò)將功率半導(dǎo)體和功率磁性元件集成在同一工具化散熱器上，我們可以在雙向高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用（例如 OBC）中可以實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率。
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