充电桩的“心脏”——充电模块

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新能源汽车产业发展离不开常见的充电桩，而其核心部件模块包括充电模块、控制模块、电源模块等，而充电模块是充电桩之心，也是构建高功率充电基础设施的核心部分。

 

今天这篇文章，带大家了解什么是“充电模块”？特点是什么？代表企业有哪些？

 

充电模块的定义

 

充电模块是新能源汽车直流充电设备的核心部件，是实现整流、逆变、滤波等功率变换的基本单元，主要作用是将电网中的交流电转换为可供电池充电的直流电。

 

 

充电模块性能直接影响直流充电设备的整体性能，同时关系到充电安全等问题，被誉为直流充电设备的“心脏”。充电模块上游主要是芯片、功率器件、PCB等各类元器件，下游是直流充电桩设备制造商、 运营商及车企等。从直流充电桩成本构成来看，充电模块成本占比能达到50%。

 

充电桩成本构成

 

 

充电模块成本构成

 

 

充电模块的工作原理

 

当充电模块工作时，三相交流电经过有源功率因数校正（PFC）电路整流后，变成直流电供给DC/DC变换电路。控制器的软件算法通过驱动电路作用于半导体功率开关，从而控制充电模块的输出电压及电流，进而对电池组进行充电。其具有较高的技术门槛。

充电模块工作原理示意图

 

 

 

充电模块的特点

 

设计简单。只需一个电源模块，配上少量分立元件，即可获得电源。

缩短开发周期。模块电源一般备有多种输入、输出选择。用户也可以重复迭加或交叉迭加，构成积木式组合电源，实现多路输入、输出，大大削减了样机开发时间。

变更灵活。产品设计如需更改，只需转换或并联另一合适电源模块即可。

技术要求低。模块电源一般配备标准化前端、高集成电源模块和其他元件，因此令电源设计更简单。

模块电源外壳有集热沉、散热器和外壳三位一体的结构形式，实现了模块电源的传导冷却方式，使电源的温度值趋近于最小值。同时，又赋予了模块电源规范性的包装。

质优可靠。模块电源一般均采用全自动化生产，并配以高科技生产技术，因此品质稳定、可靠。

用途广泛。模块电源可广泛应用于航空航天、机车舰船、军工兵器、发电配电、邮电通信、冶金矿山、自动控制、家用电器、仪器仪表和科研实验等社会生产和生活的各个领域，尤其是在高可靠和高技术领域发挥着不可替代的重要作用。

 

充电模的块作用

 

1、输出电压的调节

 

对有TRIM或ADJ(可调节)输出引脚的模块电源产品，可通过电阻或电位器对输出电压进行一定范围内的调节，一般调节范围为±10%。

对TRIM输出引脚，将电位器的中心与TRIM相连，在所有+S、－S管脚的模块中，其他两端分别接+S、－S。没有+S、－S时，将两端分别接到相应主路的输出正负极(+S接+Vin，－S接－Vin)，然后调节电位器即可。电位器的阻值一般选用5～10kΩ比较合适。

对ADJ输出引脚，分为输入边调节与输出边调节。输出边调节与TRIM引脚的调节方式一样。输入边调节只能上调输出电压，此时将电位器的其中一端与中心相接，另一端接输入端的地。

 

2、输入保护电路

 

一般模块电源产品都有内置滤波器，能满足一般电源应用的要求。如果需要更高要求的电源系统，应增加输入滤波网络。可以采用LC或π型网络，但应注意尽量选择较小的电感和较大的电容。

为了防止输入电源瞬态高压损坏模块电源，建议用户在输入端接瞬态吸收二极管并配合保险丝使用，以确保模块在安全的输入电压范围之内。为了降低共模噪声，可以增加Y(Cy)电容，一般选择几nf高频电容。R为保险丝，D1为保护二极管，D2为瞬态吸收二极管(P6KE系列)。

 

3、遥控开关电路

 

模块电源的遥控开关操作，是通过REM端进行的。一般控制方式有两种：(1)REM与－VIN(参考地)相连，遥控关断，要求VREF<0.4V。REM悬空或与+VIN相连，模块工作，要求VREM>1V。(2)REM与VIN相连，遥控关断，要求VREM<0.4V。REM与+VIN相连，模块工作，要求VREM>1V。REM悬空，遥控关断，即所谓“悬空关断”(－R)。如果控制要与输入端隔离，则可以使用光电耦合器作为传递控制信号。

 

充电模块的主流拓扑

 

1、前级PFC的拓扑方式：

（1）三相三线制三电平VIENNA：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目前市场上充电模块主流的PFC拓扑方式如上图所示：三相三线制三电平VIENNA，英可瑞，英飞源，艾默生，麦格米特，盛弘，通合等均采用此拓扑结构。此拓扑方式每相可以等效为一个BOOST电路。

 

由于VIENNA整流器具有以下诸多优点，使得其十分适合作为充电机的整流装置的拓扑。

 

1、大规模的充电站的建设需要大量的充电机，成本的控制十分必要，VIENNA整流器减少了功率开关器件个数同时其三电平特性降低了功率开关管最大压降，可以选用数量较少且相对廉价的低电压等级的功率器件，大大降低了成本；

2、功率密度即单位体积的功率大小也是充电机的重要指标，VIENNA整流器控制频率高的特点使电感和变压器的体积减小，很大程度上缩小了充电机的体积，提高了功率密度；

3、VIENNA整流器的高功率因数和低谐波电流，使充电机不会给电网带来大量的谐波污染，有利于充电站的大规模建设。因此，主流的充电模块厂家均以VIENNA整流器作为充电机的整流装置拓扑。

4、每相两个MOS管是反串联，不会像PWM整流器那样存在上下管直通的现象，不需要考虑死区，驱动电路也相对容易实现。

 

缺点：

 

1、输出中性点平衡问题：中性点电压的波动会增加注入电网电流的谐波分量，中性点电压严重偏离时会导致开关器件以及直流侧电流承受过高电压而损坏。因此必须考虑直流侧中性点电位的平衡问题；

2、能量只能单向传递。

 

（2）两路交错并联三相三线制三电平VIENNA：

 

 

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：

 

 

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，提高整机效率。

 

2、后级DC-DC的拓扑方式：

 

（1）两组交错式串联二电平全桥LLC：

 

 

（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的充电模块均采用的是两组交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：

 

 

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:

 

 

盛弘电气，茂硕电源采用三电平全桥LLC。

 

（6）两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS：

 

 

（7）两组交错式并联二电平全桥移相ZVZCS：

 

 

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。

 

 

 

充电模块故障原因

充电模块在使用中可能会遇到六种常见故障，分别是模块保护、模块故障、不均流、通讯中断、半载输出以及电压输出无法达到设定的电压。

 

1、充电模块保护 

 

充电模块交流输入过压、欠压、过温将导致充电模块保护，请根据故障代码进行确认。

机柜装有玻璃门或者机柜密不透风，可能导致充电模块过热保护。

机房环境温度过高，也将导致充电模块过热保护。

 

 

2、充电模块故障 

充电模块的输出电压过高或者IGBT过流将导致模块故障，要求将模块断开交流后重新开启，可恢复模块正常。

不合理的电压调整可能导致模块充电模块输出过压，该情况下需要断电后将电压调整电位器逆时针调到最小（调到最小时可以听到电位器有轻微的咔哒声音），然后重新整定模块的输出电压。

3、充电模块不均流 

没有连接均流线，可能导致不均流。

控制模块和合闸模块之间不可以均流。

断开均流线和通讯线，给模块加载，测量该模块的均流口上的信号，该信号大小应满足i/I*2V的要求，其中i为该充电模块的实际输出电流，I为该充电模块的额定输出电流。

 

 

4、充电模块通讯中断 

充电模块的地址设置错误将导致充电模块通讯中断，两个不同的充电模块设置相同的地址也将造成监控模块通讯中断。

充电模块类型设置（有级限流和无级现流）将导致监控模块通讯中断。

充电模块地线连接不良或者没有连接可能导致充电模块通讯中断。

充电模块的重载的情况下导致通讯中断，接地线良好的情况下可以通过增加通讯适配器来解决。

监控模块中错误的串口号码设置将导致充电模块通讯中断。

充电模块的地址要求从0开始设置，地址要求连续设置。

5、充电模块半载输出 

部分充电模块具有缺相半载输出保护的功能，请检查充电模块的交流输入电压。

6、充电模块电压输出无法达到设定的电压 

充电模块的过载将导致限流，使充电模块的输出电压无法达到设定值。

电池电流检测错误，将导致充电模块限流，无法达到设定的输出电压值。

 

充电模块企业

1、华为

华为是全球领先的信息与通信技术（ICT）解决方案供应商，专注于ICT领域，坚持稳健经营、持续创新、开放合作，在电信运营商、企业、终端和云计算等领域构筑了端到端的解决方案优势，为运营商客户、企业客户和消费者提供有竞争力的ICT解决方案、产品和服务。目前，华为凭借着电源领域的强大优势已经步入进军充电桩产业的道路。

 

 

来源： 华为数字能源

2、优优绿能

深圳市优优绿能股份有限公司，是全球领先的EV全场景直流快充解决方案和核心充电部件供应商。深耕新能源汽车充换电领域，重视技术创新及研发投入，为全球充电站运营商、换电站运营商、新能源车企客户、充电桩系统客户以及换电站系统客户等提供定制化产品及整体解决方案。

 

 

 

来源： 优优绿能

3、英飞源

深圳英飞源技术有限公司以电力电子及智能控制技术为核心，聚焦新能源汽车充换电、储能、智慧能源服务及智能电源装备等领域。公司产品涵盖高性能充电模块、智慧能源路由器、电动汽车充换电及储能系统产品，并为充换电、储能、能源互联网等各类应用提供专业解决方案，解决市场多样化的需求。

 

来源：英飞源

 

4、盛弘股份

盛弘电气股份有限公司是一家致力于电力电子技术及业务，为能源互联网提供核心电力设备的企业，目前拥有四大产品系列：新能源产品、电能质量产品、电池化成雨检测产品、能源管理系统。

 

盛弘

5、奥特迅　

奥特迅是大功率直流设备整体方案解决商，公司的400V*30A大功率高频智能化充电模块在输送相同功率时，具有模块数量减少，大功率模块对节约充电站占地及采购成本等显著优势。公司和南方电网合作，完成了深圳大运中心，和谐两个电动汽车充电站以及134个充电桩的设备供应，具有突出的先发优势。

 

来源：奥特迅

 

6、科华恒盛

科华恒盛公司具有26年电源研发制造经验，在充电桩方面有相应的技术储备。2014年9月26日，科华恒盛发布公告称，全资子公司深圳科华与自然人张近东、薛新林共同出资设立“深圳市科华恒盛新能源有限公司”，拟定经营范围：新能源汽车充电及装备系统集成研发与销售，其中深圳科华拟以自有资金出资人民币1200万元人民币，占注册资本60%。

 

来源： 深圳科华

 

7、特锐德

青岛特锐德电气股份有限公司，主要从事电力装备制造、汽车充电生态网、新能源微网三大领域。是中国电力产品技术标准参与者和制定者。首创多站合一的预装式智慧能源站，将变电、配电、充电、放电、储能、光伏、数据中心、5G一体化深度融合，成为交直流混网的创新综合能源系统。

 

来源：杭州特来电

 

8、永联科技

深圳市永联科技股份有限公司是一家集新能源高端装备研发制造和能源互联网解决方案提供与建设运营为一体的国家级高新技术企业，承担了充电模块、充电桩、岸电电源等领域多项国家标准和行业标准的编制重任。2018年8月中日签署充电技术领域合作协议后，公司又成为直流大功率快速充电中日统一标准的主要制定者。

 

来源：永联科技

 

 

充电模块的发展

随着近年来新能源车越来越多，充电模块的容量升级、可靠性以及安全性面临着更高的要求。市面上中高压的功率器件产品也逐渐推向更新更多的需求与应用，以满足充电模块的广泛普及。值得一提的是，国网三统一标准的充电模块，统一模块外形尺寸、统一模块安装接口、统一模块通讯协议，为充电桩系统集成商及充电运营企业提供了更好的选择，国网三统一型充电模块仍是当下各企业的主流产品。相信随着行业快速发展，充电模块进一步标准化，预计会成为未来趋势。

充电模块的另一个技术演进路径是，模块散热方式的改变。充电模块主要散热方式为风冷散热，但充电桩都是野外环境使用，随着使用过程中经常会因为环境的恶劣导致充电模块的故障率特别高，风冷散热虽然经济性较好，但在抗击长时间高热运转下的散热功能相对较差，因此模块产品不断改进散热方式，从风冷发展到隔离风道散热，风道优化设计后，风只吹发热元器件，不发热或发热量小的器件位于PCB和机壳之间，并被挡风条保护，从而免于粉尘污染和腐蚀，同时所有半导体功率器件均密闭安装在专利设计的结构组件中，从而大大减少故障率，提高可靠性和使用寿命。

 

总之就目前而言，随着国家碳达峰和碳中和的政策指标，新能源汽车的发展进程将进一步加速，充电基础设施、迎接新挑战、把握新的市场机遇将成为新主题。