更快速、更安全且更智能的充电桩是如何打造的？——TI芯

yinxiangpeng · 发表于 2023-12-29 09:07:16

当充电桩在2020年被列入新基建的七大项目之中时，人们似乎看到了一个万亿元的市场即将被撬动，随之超过26个省市密集出台了50余项与充电设施相关的政策。但现实是，根据智研咨询提供的数据显示，在过去的一年里充电桩的出货量虽有明显上升（从12万到近30万），却未出现期望中的井喷。

市场的发展未能尽如人意，固然有各方利益协调的问题，但是从技术的角度来看也存在着各种阻碍因素，其中最亟需解决的是对于用户的充电体验至为重要的充电时间，此外则是充电桩信息的实时交互问题，而这些都聚焦于大功率直流充电桩。
焦虑的充电进行时
为了解决电动汽车的充电焦虑问题，更快的充电速度成为快充站的明确要求，实现充电5分钟，行驶200公里会成为行业的普遍要求。充电桩的直流模块可以通过提高功率密度和提高充电电压两个方向升级，前者需要高性能实时微控制器和支持更高开关频率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐压以及更高的转换效率，第三代宽禁带半导体功率器件将会是很好的选择。而且随着第三代半导体开关频率的提高，需要更复杂的电源拓扑和控制算法，因此对于实时控制器的需求也进一步提高。
提到直流充电桩的主控部分，就必须提到市场上占据份额较高的德州仪器（TI）C2000

微控制器。事实上，C2000微控制器在中国市场久负盛名，早已广泛用于电力电子控制领域，并在工业和汽车应用中提供高级数字信号处理。在过去 20 多年间C2000微控制器一直处于模数控制革命的前沿，经过不断发展，现在的第三代性能更为出色：拥有更强的运算能力、更丰富的外设资源。

C2000微控制器实施控制器由于内置C28x数学优化型内核，具有微控制器和数字信号处理器双重优势。通过各种高效率计算内核，C2000微控制器可实现μs级环路计算时间。比如在双向高密度GaN CCM图腾柱PFC中，利用TMU，C2000微控制器可以将PWM计算从10μs减少到0.5μs以下，确保逐个周期进行自适应死区计算，从而对GaN FET进行最精确和高效的控制。
集成更高级的外设，是C2000微控制器满足复杂拓扑结构的另一大优势。通过集成3.6M SPS采样率，12 位至 16 位分辨率的ADC，实现更高速的电流采样和电压采样；还有150ps分辨率的PWM，这样就可以满足第三代半导体更高的开关频率，实现高动态特性的充电模块并显著提高效率、降低尺寸。
为了追求更高的效率而增加总线电压时，复杂的多电平拓扑变得越来越普遍。 NPC和ANPC拓扑是双向PFC /逆变器最受欢迎的两种拓扑，它们可以将开关设备上的电压应力限制为总线电压的一半。但是，这些拓扑需要来自MCU的更多PWM通道，并且还需要一种特殊的保护方案以在任何停机期间维持电源开关两端的电压平衡。 C2000微控制器第三代器件提供了独特的可配置逻辑块（CLB），可实现板载故障保护方案，以确保在所有工作条件下均提供实时保护，而无需任何外部逻辑电路，类似于FPGAs / CPLDs一样灵活。例如TIDA-010210 6.6kW 三相三级 ANPC 逆变器/PFC 双向功率级参考设计中所呈现。
另一方面，针对快速充电桩高效率、高功率密度的电力电子和非常高的功率密度的设计目标，第三代半导体（包括SiC、GaN等）成为市场上冉冉升起的新星，是实现碳达峰、碳中和的最重要的半导体技术。相比此前两代，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，因此可以减少系统散热成本及无源器件尺寸，可以提供更高能效或更高功率密度，并且降低系统总成本。
SiC由于推出时间早，用户覆盖面更广。不过“SiC和GaN究竟孰优孰劣目前下结论还为时尚早，如果长期来看，硅基GaN在成本方面的下降空间会更大。”德州仪器华北区技术支持经理付杨表示。无论如何，未来随着第三代半导体在工艺上的成熟度越来越提高，整体成本优势会更加凸显。
TI在这两个方向上均有布局，SiC方面通过提供集成电容式隔离功能的驱动器，提高系统稳健性和可靠性，减小外形尺寸和轻松符合 EMI 标准。而TI在GaN上的布局则可追溯到2010年，2017年与西门子推出了首个10千瓦连接云电网的转换器。而且通过不断尝试新架构，使GaN适应更广的电压范围，比如800V、1000V（可参考），这也为将来在充电桩上看到GaN的身影带来了更大的可能性。为了保证高可靠性，TI已经针对GaN FET进行了4000多万小时的器件可靠性测试和超过5 GWh的功率转换应用测试。同时，为了进一步提高可靠性和集成度，TI推出了GaN与驱动集成的器件。更为亮眼的是，TI在GaN方面拥有自己的工艺和工厂，因此可以确保产品品质和供应的稳定性保障。
在充电时长之外，用户最痛苦的莫过于需要充电时无法确知前方充电桩的使用情况，这就需要利用安全的无线连接技术远程接入和控制。TI可以提供从短距离近场通讯（身份识别、信息保护）到远距离私有协议通信等各类安全无线连接产品，还可兼容常用的BLE、WiFi通讯技术。这些就可以让充电桩实时更新状态，用户得知它的使用情况。
数据安全是用户和运营商都越来越看重的，因此解决方案要求提供安全的身份鉴权、数据通信等功能。在WiFi产品上，TI很早以前就加入了信息安全保护机制，比如针对外置Flash的数据完整性进行验证，防止非授权访问和保护敏感数据，以及完善加密通道、密钥管理等安全机制。
需要的更多
实际上，一个更安全、更智能、更快速的充电桩涉及到的技术远不止以上所提到的。比如，超级充电桩由于是大功率高压户外场景，具有特殊的安全和可靠性要求，因此在这种场景下使用的隔离器件、栅极器件的稳定性和智能化，对功率器件做出的保护，是直流模块能否以更安全的状态运行的前提条件。
据德州仪器华北区技术支持经理付杨介绍，TI正在进行各个方面的创新研究来应对充电桩市场的种种挑战，其中之一便是如何以更加智能的充电桩来改善用户体验，这将需要借助边缘计算和AI技术。
而在传统的产品方面，也是在有条不紊地推进。比如TI高集成度的下一代电源产品，将电流采样和隔离、隔离电源管理芯片，集成在一颗更小的芯片中，帮客户节省PCB面积和成本；以及在现有的硅器件的基础上，通过更复杂的拓扑，在没有使用更高级的功率器件的情况下实现更高功率密度……
在拥有先进的技术之外，TI针对不同的用户和需求，提供多产品线、不同的合作方式，最关键的是，作为一家已深耕中国三十五年的有企业社会责任的企业，愿意通过全面的本地支持，来帮助中国企业成功，融入到中国信息产业发展的大潮中。
2021年的两会上，与碳达峰、碳中和被首次写入《政府工作报告》的，还有“增加停车场、充电桩、换电站等设施，加快建设动力电池回收利用体系。”据工信部于2019年末发布《新能源汽车产业发展规划（2021~2035）》征求意见稿，预计2030年我国新能源汽车保有量将达到6420万辆。即使车桩比不能实现1:1，也意味着未来充电桩市场必将实现飞跃式发展。顺潮流而动并能立于潮头的秘诀是寻找到能够一步一个脚印，踏踏实实静下心来一个问题一个问题来解决的合作伙伴。一直以来，TI都坚持如此，并致力于创造更好的未来。TI将始终如一，与您携手迎接未来挑战！