充电模块常见拓扑及调研报告

1、充电桩充电模块常见结构、原理以及市场调研随着电动汽车的快速发展，充电桩作为电动汽车产业的基础设施建设越来越受到中央和地方政府的重视，对充电桩电源模块的要求也越来越高，充电模块属于电源产品中的一大类，好比充电桩的“心脏”，不仅提供能源电力，还可对电路进行控制、转换，保证了供电电路的稳定性，模块的性能不仅直接影响充电桩整体性能，同样也关联着充电安全问题。同时充电模块占整个充电桩整机成本的一半以上，也是充电桩的关键技术核心之一。因此，作为充电桩的设备生产厂家，面对激烈的市场竞争，避免在行业洗牌阶段被无情的淘汰出局的悲剧命运，必须掌握并自主研发生产性价比高的充电模块。一、充电模块生产厂家各主流充电机模

2、块的型号、技术方案，技术参数和尺寸等相关参数如下表所示：序号品牌功率心A八型号前级PFC方案后级DC-DC方案土砒体积f.-c功率密度fM/.-s深1(kW)1UREGC0040VVILNNA电平移相全桥1U0VdcUU0VUC03UA226深3CU高84(cm3)/4CO68(w/cm3)2000丄21515REG50040VREG75030VVILNNAVILNNA电丨移1口全桥电平移相全桥15UVUC150Vdc55UVUC.7U0/UC0035/25A2262153953958484/丄33/2.0002103英飞源nrrnnrnx/TTMMA电平移口口工桥士VT73+口厶H1匸C/!

3、-tree、-cireaCC/TCiACCCOrccc3A21CCRLG50050Vnrrrr1lccccVILNNA/TrK1K1A两组电TLLC丄桥屮联厶口一H-lVT7I1入4工H-lTTU22Arrla44/AA-7rre42ar6946.38r-c”z-c2.159r1lc丄2151rLVR60015000DL/rLCC1lccccVILNNA/TrMMA两组电+LLC工桥屮联厶口一H-lTT7I1k人4工士1tr200VUCrcc/-“750VUCLCC/-2.537.5Arra44/AA-J3/0rre426946.38jcre2.159丄31A英可瑞151rLvR5001500

4、0Br/n/inn1irccccVILNNA/TTMMA两组一电|LLC工桥屮联K厶口一H-lVT7I1厂入+工ul=lTT200VUCccc-u500VUCAUC一3A33AAAK44/Aa-i3/0426946.38ucaure2.1591rn丄4i匚151匚LVR40015000Br/mnn1匚ccckVILNNAX/TCMMA两组电平LLC工桥屮联口士E11r厶灯出口200VOC450VUc-7匚4n44ACCA44/n/in3/0O-7A420c6946.38-7匚/IO2.1591no-7丄516151ULVR70015000CLVR6001U000CVILNNAVILNNA两-组

5、电|LLC丄桥屮联两$口电平IIC丄桥串联200VUC200Vdc(50VUC7U0VUC2c匚-22AUA2402403/03/0858U/548/U481.98/1nc丄617151rLVIRUUU15UUUCL/rLCC1LCCCJVILNNA/TrMMA两组电TLLC丄桥屮联厶口一H-lTT7I1k人4工士1tr200VUCrcc/-t5UVUCLCC/-240rAfrre85,5487r/101.98/1nr7171o151rLvR50015000Cr/n/inn1irccckVILNNA/TTMMA两组一电|LLC工桥屮联K厶口一H-lVT7I1厂入+工ul=lTT200VUCcc

6、c-u500VUCAUC一3A233AAAN240r”c3/085or/5487C7101.98/1np7181n15LVR40015000Cr/mnnccccckVILNNA/TTMMA两组电平LLC工桥屮联K厶口一H-lVT7I1厂入+工ul=lTT200VOCccc-450VUc7rn一4c744Area240r”c3/085or/5487C7101.98/19cc20LVR70020000C匚/rirccccccckVILNNA/TrMMA两组电平LLC工桥屮联TFM口l=bVT7l1厂厶灯Eta口200VOCccct50VUc2.7A30AAAN240n/in3/0850c/5487

7、C/1O2.650CA20212020LVR50020000CLVR70020000VILNNAVILNNA两-组电|LLC丄桥屮两$口电平IIC丄桥串联200VUC200Vdc500VUC7U0VUC4Zl44AAAA240U003/0410858U/5481/42U2.650114821rr20LVR70020000rxinrrxrxcccccVILNNA/TrMMA两组电TLLC丄桥屮联厶口一H-lTT7I1k人4工士1tr200VUCrcc/-t5UVUCLCC/-5UUrAf410rre851/4257r/101.148rrLC201rLVR500-20000nirccrcciVIL

8、NNA交错式PFC两组一电|LLC工桥屮联K厶口一H-lVT7+口六后ttl1厂岀口200VUCccc-u500VUCtree、-6C760Arua240ecu3/0Alf85on/548ecruru2.65023C/1华为15R50030G1C-7匚CCCC1交错式IIC交错式PFC两组电1相交错LLC屮联曲$口士寸7+口六ZritlI厂土|TT200VOCccc500VUc-7匚c/J-0n36AC/1A206ecu4/0/I83C38036.06onoccu1.86/1oz：724cc151匚R(5020G1匸C-7匚CCCT交错式IFCX/TCMMA两组电1相错LLC屮联士El1厂士灯

9、300VUC750VUC-7匚0A24ACCA206A4/0ACf0-78036.061occc1.86/ccm2526艾默生151ULIR75020ILR7U020T2VILNNAVILNNA电平LLC半桥电平移相丄桥200VUC一(50VUC一7/4022AXA45021U46039U8/8418009/丄33/0.833210326rr151L一一.-rlcrcVILNNA/TrK1K1A电丨移1口工桥H-lVT7I1入4工2丄5rre395”rl841rr1rrl27cc盛弘151rser/5020r”r-crcVILNNA/TrMMA电平LLC工桥H-lTT7I1k人+工200VUC

10、rcc/-u750VUCLCC/-01nv20Arra220425132123421rr”r1.2151c28=t=+X7、1zrt土151rsR45030r/imrnccVILNNAl/TTMMA/EH卄、电平LLC工桥K厶口一H-lVT7I1厂入+工ul=lTT200VUCctrc、-u500VUC7rn一0nc33AFA220ci7425Aru1320012342cccirou1.21529on麦格米特151cIMIR75020TLJ-7CCC1CMrAVILNNA(两管并丿X/TCMMA两组电平LLC工桥屮联丹$口士E+口才土t|I厂士時250VUct50VUc-7匚0.5A21A1C

11、A21/ere4363965880c8325.867/11A匚匚1.802i0/in30O1通厶电子101cTH700Q15NDATLJUCCCCCNin.AVILNNAX/TEMMA两组电1相错LLC屮联們乡口i=bVT7+口才c$t|厂i=|nTT300VUCccc/4750VUC0n15AA220Conec85OU/414.557/11ACC1.3491o/in31-321020TH500Q20NDATII500Q40PQD-AVILNNAVILPMQA两-组电1相iiuil1ixz帀3slTTBLSi-?RL!n.IC21ckKr曲2r.r-Hii也i.$、XW./rls23sgTT1

12、m5EaT杭州中恒电气自主研发使用的充电模块采用的是两路交错并联三相三线制三电平VIENNA的PFC拓扑方式。控制方式：第一Vienna变换器的A相驱动信号与第二Vienna变换器的A相驱动信号同频率同幅值、占空比各自独立、相位错开180；第一Vienna变换器的B相驱动信号与第二Vienna变换器的B相驱动信号同频率同幅值、占空比各自独立、相位错开180；第一Vienna变换器的C相驱动信号与第二Vienna变换器的C相驱动信号同频率同幅值、占空比各自独立、相位错开180。通过两个变换器的并联，使得开关管和二极管电流应力降低一半，可使用传统半导体器件；通过交错并联技术，总输入电流波动减小，从

13、而减少电磁干扰，减小滤波器体积；用两个分散的发热器件代替一个集中的发热器件，在总热量没增加的基础上可方便PCB布局和热设计。另外此拓扑在轻载时，可仍然实现输入电流连续，减少了干扰。(3)单相交错式三相三线制三电平VIENNA：1华为使用的充电模块采用的是单相交错式三相三线制三电平VIENNA的PFC拓扑方式。此拓扑方式将三相输入分解为三个单相的交错式的PFC电路，每个之间相互交差120。而每一路的驱动MOS管相互交差180。这样可以降低输入纹波电流和输出电压纹波，从而减小减小BOOST升压电感的尺寸，减小输出滤波电容的容量。同时降低EMI，缩减EMI磁性元器件大小，减小线路的均方根电流等，提高

14、整机效率。US-2、后级DC-DC的拓扑方式：（1）两组交错式串联二电平全桥LLC：L-loLdrCC2AD12ft(2)两组交错式并联二电平全桥LLC：目前英可瑞，麦格米特的750V的充电模块均米用的是两组父错式串联二电平全桥LLC,500V的充电模块采用的是两组交错式并联二电平全桥LLC。优点：1、根据母线电压，将分成上下两个全桥的LLC控制，可以在不增加开关管应力的情况下，使用成熟的二电平全桥LLC控制电路；2、采用全桥LLC算法，可以实现整流二极管的零电流关断，提高效率，减小EMI；3、轻载特性比较好。缺点：通过调节频率实现输出电压的调节，难以实现输出电压的宽范围调节，谐振电感和变压器

15、设计困难，开关频率不固定，难以实现更大容量。3）三电平全桥移相ZVS：D1PD5PCb口AZ5ZS1的富c巩|ICf1上英飞源、维谛技术（原艾默生）采用的这种三电平全桥移相ZVS。1、采用三电平技术，可以减小开关管的电压应力，从而使用650V的MOS管，提高整机开关频率，减小输出滤波电感的尺寸；2、移相全桥技术可以实现输出电压的宽范围调节，同时输出电压纹波小；3、变压器不需要开气隙，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。不足之处：1、轻载时，滞后臂不容易实现软开关；2、整流二极管为硬开关，反向恢复电压尖峰高，EMI大；3、占空比丢失。4）三相交错式LLC:华为，通合电子

16、采用的这种三相交错式LLC。该转换器包含3个普通LLC谐振DC-DC转换器，每个转换器分别以120相位差运行。输出电容的纹波电流得以显着减小，提高功率密度变压器可以由3个小尺寸的磁性组合，减小整机的高度。但是其控制复杂。5）三电平全桥LLC:IIDb11ftQ7iC8OLDADIZAA盛弘电气，茂硕电源采用三电平全桥LLC。、弋!用/X/.川it.-*”诗jI、彳、T打广(6)两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS：o*aa5EH-M0L.f2(7)两组交错式并联二电平全桥移相ZVZCS：GxboftCdlCdl04Ldr曲CBuL_两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS和两组交错式并联二电平

17、全桥移相ZVZCS两种方案跟上述（1）（2）的结构方式类似，只是采用了不同的控制算法，一种为全桥LLC,一种为全桥移相。优缺点LLC拓扑移相拓扑优点效率咼宽输入、宽输出调节范围全负载范围内实现ZVS软开关低输出纹波低的EMI电磁干扰易于实现次级侧同步整流易于高压电压输出易于大功率扩展缺点输出纹波大滞后臂难实现ZVS,开关损耗大（但ZCS容易实现）谐振电感，变压器设计困难整流二极管工作在硬开关，损耗大，反射尖峰电压大难实现宽输入和宽输出调节副边占空比丢失（ZCS漏感小）三、充电模块技术要求和特点及发展方向序号名称技术要求及特点发展现状及方向1单模块功率目前充电桩上使用的主流充电模块功率为单机15

18、KW，少数为单机10KW，如通合电子。1、从2014年的7.5KW，到2015年的恒流20A15KW模块，到2016年的恒功率25A15KW模块的发展进程；2、今年上半年英飞源，英可瑞，通合电子，中兴等厂家均已开发出20KW充电模块样机，并且尺寸跟15KW比较，均为2U，只是深度部分厂家加长了。但很少正式运用到充电桩中长期运行检验。个人认为20KW充电模块只是一个过渡产品。（只是对原有的15KW进行了功率升级）；3、目前优优绿源，金威源，新亚东方，麦格米特，飞宏均已开发出了30KW充电模块样机，但都处理测试阶段。人个认为30KW将会成为主流（1、30KW单机模块平均每瓦成本降低不少；2、30K

19、W的尺寸有的是3U咼度，或2U高度+超过300的宽度，相对20KW模块尺寸增加不大；3、充电桩肯定是向大功率方向发展，如350KW和400KW，相对单机15KW模块，30KW模块数量减小一半，充电桩可靠性高）。2宽输出电压市场主流模块分为200Vdc500Vdc和200Vdc750Vdc。1、国网发布2017版电动汽车充电设备供应商资质能力核实标准指出直流充电机输出电压范围为200V750V,恒功率电压区间至少覆盖400V500V和600V750V。因此，各模块厂家均为模块升级成200Vdc750Vdc且满足恒功率的要求；2、随着电动汽车续航里程的增加，以及车主对缩减充电时间的愿望，大功率充电

20、即350KW，1000V将成为必然的发展方向。因此，模块输出电压会增加到1000V。3、目前英可瑞已开发出1000V，15KW的模块机样，麦格米特已开发出950V，30KW的模块机样。3宽输入电压市场主流模块的输入电压范围为38020%（305456VAC）,频率范围为4565Hz。而英可瑞，英飞源等厂家的输入电压范围标称：（260530VAC）个人认为输入电压范围为38020%（305456VAC），频率范围为4565Hz就可以满足充电桩的现场应用，不必扩展更宽的输入电压范围。4高频化市场上目前前级PFC的开关频率在4060KHZ之间，后级移相全桥固定频率均在100KHZ以下，而全桥LLC的

21、主谐振点频率也在100KHZ以下。随着单机模块功率的加大，而体积又不能成比例增大的情况下，不管是前级PFC还是后级的DC-DC，只有进一步增加开关频率才能实现增大功率密度。5咼效率市场上所有厂家的模块，基本上峰值效率在95%到96%左右。随着98%超咼效率技术和宽禁带器件在通信电源市场的成熟，从技术角度考虑，将目前的充电桩模块效率提升到98%是完全可能的。但从投资回报率考虑，效率为98%充电模块毫无市场竞争力，因此，只有等到碳化硅和氮化镓等器件平民化之后，充电桩超咼效率的模块才能商业化。6散热方式目前市场上所有厂家的模块的散热方式均为强迫风冷方式，前进风后排风的方式（风机质量和寿命将会制约整机

22、模块的寿命）。基于模块故障率高的问题，一些厂家提出了水冷和封闭冷风道的想法。但就目前国内充电桩行业如此低毛利的现状，水冷充电模块这种奢侈品基本可以审判死刑。7功率密度目前以15KW为主流模块的功率密度2.0W/cm3在将来，直流充电桩为了满足不冋场景充电的需求，体积是一个比较重新的问题，对于模块来说，尽可能做出超高功率密度的模块，这样可以使体积更紧凑，节省占地面积。预期功率密度为达到3.0W/cm3。8布局方式1、目前市场上所有厂家的模块的都是后进线后输出方式；2、尺寸多数为2U咼度,绝大数都分上下两块电路板，一块为前级PFC板，另外一块为DC-DC板。母块电路板的冋度为1U，上下叠加为2U的

23、整机冋度。但英可瑞，麦格米特疋块2U的电路板；（英可瑞以开发出1U咼度15KW样机）3、控制电路板英可瑞以插板方式，其他厂家都是跟主板一体；4、均是双控制芯片，多数为双DSP，麦格米特为DSP+ARM方式；5、辅助电源方式：（1）反激，取母线总电压方式；（3）反激双管，取母线上下两电压交错6、显示方式：（1）3个发光二极管（运行，故障，报警）（2）3个发光二极管+3位数码管；7、通信地址方式：（1）软件ID自动识别；（2）硬件拔码开关；（3）硬件8421数字编码器。四、自主研发方案-EMI0LftiRERTJib咕CdLSA1-4SB1-4SC1-4LbUsHVbUsLl|Qulku2Qu3Q

24、ud1UD；-;.II世找对外搖KSS3：切1CAW朗信接口脚电i+777B曲线凋速凤闹TA3iTnilbItfcLrEUW和充电堆电带挖制二相电沛鞅羊揑制辅耽电囲反蠢取管拓扑机VIEXXA耿功佶号匕半部骆副佶号母堆也士采样凹怨洞迎风闻F28377DVI惊辿竝反UCX2695匕沐：7LASH3x4?rkk13-tl/D-7MJ2-.3：:rriEaflik19IBLM!DUD3AfiMD阳-自KW踐心校1、初步方案:序号项目初步方案1单机功率开发20KW机样，输出电压范围为200V750V,恒功率电压区间覆盖400V500V和600V750V。电气间隙和爬电距离按1000V电压等级设计，以便于

25、后期扩容扩压。2模块尺寸初步限定：宽*深*高250*400*88mm3前级PFC拓扑常规的三电平VIENNA拓扑（平均电流算法+中点平衡+电压前馈）M0S管和二极管均采用双管并联方式，以便于后期扩容。4后级DC-DC拓扑两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS拓扑。上下母线各以10KW功率设计，两组进行交错式串联。5布局分上下两块主功率板：1、前级PFC功率主板+辅助电源电路；高度1U；2、后极DC-DC功率主板+控制板；高度1U；3、两板之间信号通过牛角排线方式连接。6控制芯片单一双核DSPF28377D+2个UCC2895（两芯片时钟相位差180度）7显示方式4位数码管方式，通过一个按键切换

26、输出电压和电流的显示以及故障代码8通信地址方式硬件设置，6位拔码开关，063，最大支持64个模块并联9散热方式采用2个四线制超高速PWM调速直流风扇。12V/2.5A10温度采样支持4路温度采样电路11CAN通信隔离型CAN通信接口，用于用户数据交互，数字均流和数据传输。12RS232通信用于本地程序更新13内置泄放电路模块停机后自动泄放电解电容能量。14辅助电源输入电压取自上下母线电压，米用双管交错式反激方式。15开关频率前级PFC开关频率50KHZ,后级DC-DC开关频率暂定70KHZ2、控制板配置方案对比RBRC|sait|sblt|sci-4IbusQul|Qij-t11U)wftdl

27、Qd2(Qd|Qd4母蠅电压耕g頑U2上半部昭动信号f卜*部旳朗ii号Aiftffi1佶号M騒审DM松施皿边m鋭逗恃WtruOaslLP3Clb二相旧说采样STM32FIWISKnkJCViil)二相电压釆样也严训罟風弓|1出|二m叫嗣，|:训poq*忌;itihiiV：k-w/ETEF邨曲m|(ij7QxlFzeaTTDtlcutiafA事出电圧电扯采样:1110f：Ht.：l.RT(AURXUfCANMMRS232i!信搂口信搂口魅块对外接口VD0iho方案1：DSP+ARM方案Kt.1(7(X28I_tDjZhfloJ”VabHZ0)模决对外接口预死屯爭:电盘控门班冰卿们号湘电就廉样询川

28、1.1-+:计&业左采Fi：母统屯止采样F推025UJrhiisHueLI:壯那他曲仁弓DCDC卍制板用叫戟阳疋从扇2怖船虑*怦11.RT御RX:?:”：:1：:NI：.IT1和出电压电沆乐样.昴示枫接口3通悄摄口信按II:-.1CJfcifilS-HOLUO.IiE6EE呗:LEDIEHVHVIVSWHIIIl：l：l：JQuliupldpi：iiQd泅3F半部爾悟号馨sn方案2：DSP+ARM方案方案对比：如下表序号类型方案1：DSP+ARM方案方案2：DSP+ARM方案1简述方案1米用单板结构方式，核心板：双核DSPF28377+STM32F407,DSP负责PFC和DC-DC的控制以及

29、CAN通信。STM32F407负责数据的存储与传输方案2米用双板结构方式，PFC控制板米用DSPF28026只负责PFC的相关控制。DCDC控制板采用DSPF28035负责DC-DC的控制，同时负责CAN通信，风扇控制等。2成本对比DSPF28337D132元；STM32F40743元；FLASH16元；RAM15元；以太网驱动6元；3个RJ4518元。总计：230元DSPF2802630元；DSPF2803537元；DA转换器35元。总计：102元3优点1、便于公司控制硬件平台建立，扩展其他产品。2、具备数据存储和传输功能；1、分开为双控制板，有利于PFC和DCDC单独控制，软件和人员可以分

30、开，结构布局方便；2、相对于方案1,成本至少降低128元。4缺点1、成本咼；2、单板不便于布局，两种不冋类型芯片不便于软件人员编程。1、只能单独使用此充电模块电源，不便于扩展；2、无数据存储和传输功能。5结论虽然成本稍微贵一点，鉴于公司的长期发展和规划，此次米用方案1：DSP+ARM方案3、充电模块V2.0的主要任务序号分类功能名称描述1从无到有VIENNA前级PFC米用VIENNA拓扑方式1、选择控制方式：平均电流控制SPWM+中点不平衡控制+电压前馈控制；2、建立数据模型，进行数值仿真；3、搭建硬件电路平台，PFC电感的设计，功率开关的计算与选型，驱动电路的设计，采样电路的设计等；4、基于DSP进行软件编程，PI参数调整及整机调试。2数据存储与传输整机控制系统米用双核DSPF28377+STM32F407方案1、硬件电路板平台搭建；2、数据存储和传输软件代码编写和调试；3、HMI界面的编写和调试。3数字均流技术充电模块需要多模块并机运行，因此需要各模块的均流功能1、确立数字均流控制方案，建立数学仿真模型；2、软件代码编写与整机调试。4测试平台电源开发必须具备相关的测试设备1、补全电源开发所必须的开发和测试