如何通过先进的电流检测实现汽车直流快速充电

尽管范围焦虑正在从反对采用电动汽车的短名单中消失，但它已被充电速度焦虑所取代。对于要求苛刻的消费市场，快速直流充电系统正在成为首选方式。

虽然电动汽车 (EV) 的采用曲线不断向好转，但汽车行业正在应对剩余的续航里程焦虑和电池寿命恐惧。

通过改进 EV 电子设备（例如电源管理和电机控制）以及增加的能量存储密度，汽车行业已经大大减轻了对续航里程和容量的担忧。电动汽车充电时间背后仍然存在合理的担忧。这就是为什么电动汽车行业必须采用先进的快速电池充电系统并将其提供给公众的原因。

更快的充电将增加电动汽车的采用，因为它直接解决了用户感知到的问题。它在财务上也有利可图，因为电动汽车充电市场正在快速增长，预计到 2025 年安装量将超过 900 万台。 2019 年，电动汽车充电器市场约为 40 亿美元，到 2027 年应达到 255 亿美元 (https://www. alliedmarketresearch.com/）。到 2027 年，全球电动汽车充电站市场预计将增长到 30,758,000 台。在为电动汽车充电时，有几种可用的方法。目前正在部署高速公路和城市充电站，但在家充电的能力是一个主要的市场趋势。大多数个人乘用车会在夜间停放，这使得在家充电比在其他地方充电更容易且通常更便宜。然而，

充电类型

最常见的壁式插头充电器被称为 1 级和 2 级系统。由于 EV 电池使用直流电流充电，因此需要一个转换阶段。在某些部署中使用车载交流充电器更实惠，因为车载电源转换阶段取代了任何所需的内部充电系统。然而，车载转换电路限制了功率容量和充电时间（见图 1）。

图 1. 各种级别的交流和直流电动汽车充电系统。图片由 Bodo's Power Systems 提供

3 级直流快速充电可提供更高的电压，并且可以为一些高达 800 伏的插电式电动汽车充电，从而实现非常快速的充电。由于成本原因，该解决方案最适合住宅和商业建筑以及设施。对于大多数家庭部署，目前以高达 50 安培的水平运行的高功率 2 级系统被证明是最好的主流解决方案。

家用直流快速充电系统正在成为不断增长的电动交通基础设施的重要组成部分。在开发面向消费者的资本货物时，寿命和可靠性与购买决策中的成本效益相竞争。经济高效地提高电源转换系统的效率、安全性和性能，可以提高消费者的接受度。电源转换系统的四个方面涉及测量电流、确保严格的功率因数校正、频率管理和解决热问题。每个都相互影响以影响系统的整体性能。

图 2. 快速直流汽车充电系统大大减少了为电动汽车充电并将其重新上路所需的时间。图片由 Bodo's Power Systems 提供

电流测量

除了确定功率输出，电流测量还可以帮助管理热性能。不良的热管理具有破坏性且成本高昂，如果处理得当，可以显着提高性能、安全性和成本效益。电流测量提供早期故障检测和实时性能信息等。许多电力系统需要指示超出范围的电流状况、过电流状况或其他性能损失，以预测和解决潜在的热问题。电力电子设备的性能以及由此产生的系统热问题的危险范围从接地故障和短路到在极端功率水平和超出系统支持能力的负载条件下运行。

就电源系统中的电流感应而言，与使用运算放大器和比较器的板组装解决方案相比，集成感应解决方案可显着节省占用空间。非集成实施的规模将根据所选的实际组件而有所不同，但它会比单一封装解决方案大。如果我们对这种类型的设备使用传统的组件封装尺寸，大约 2~3 毫米，这会导致解决方案占位面积达数十毫米。

过流检测

根据定义，电流测量是防止电子系统损坏的过流和欠流保护的一个关键方面。在现代系统的速度、功率水平和永远在线方面，除了防止灾难性故障之外，保险丝在任何方面都不再适用于先进的电源产品。除了在过流情况下切断电源之外，使用保险丝进行保护并不会为您提供有关电源系统实际性能的任何信息。使用电流传感器，可以针对给定应用优化过流检测响应。整个系统的电路保护和安全性至关重要，像 ACEINNA 这样的电流检测解决方案非常适合过流检测，因为它们具有非常快的响应和大电流测量范围。被隔离，

将隔离等方面与核心各向异性磁阻 (AMR) 技术相结合，创建了精确且非接触式的传感器。与分流加隔离放大器解决方案相比，这种电流检测方式可优化性能并支持温度校正，从而降低客户设计的复杂性。此外，通过在高侧使用新纳电流传感器等设备，可以检测相电流的接地故障（可能由于接线错误、老化等），从而保护整个系统。电能质量对于高效运行至关重要，而功率因数是其中的重要组成部分。功率因数衡量所用输入功率的效率，是有功功率与视在功率之比。如果您的功率因数不好，例如低于 95%，它导致做同样的工作需要更多的电流。功率因数校正 (PFC) 提高了该比率和电能质量。PFC 可降低电网压力、提高设备能效并降低电力成本，同时降低系统故障的不稳定性和风险。

产生与负载（例如靠近负载的电池充电器）吸收的能量相反的无功能量，可提高功率因数，并在负载点以所需的实时水平进行理想的补偿。在低压侧的 PFC 设备上使用电流传感器可提高可用功率。说到谐波失真，AC/DC逆变器前端需要PFC，而且大多数时候需要AC/DC前端模块的原副边隔离，ACEINNA的电流传感器不仅简化了整体系统设计，但降低了实施成本。

图 3.除电动汽车外，微小电流传感器还用于多种应用。图片由 Bodo's Power Systems 提供

开关频率

随着对更高性能的需求不断增加，CPU、DSP 和其他此类设备的耗电量越来越大。增加稳压器频率可降低所涉及电源电路的尺寸和电路板占位面积要求，同时增加功率密度。然而，随着频率的增加，开关损耗也会增加，主要是由于开启期间的高端损耗以及体二极管传导损耗。这些力量限制了传统转换器和稳压器的开关频率。

高级快速开关电路中的电流测量需要实时跟踪电流，以尽可能提高效率。人工智能和机器学习还需要智能电流测量，以创建控制算法以获得更好的性能。新纳的高精度和高带宽电流解决方案提高了系统的效率，同时由于其高相位裕度而简化了电流控制设计。

图 4. 支持 SiC 和 GaN 的ACEINNIA 电流传感器。图片由 Bodo's Power Systems 提供

加速电动汽车普及和市场可行性的快速充电系统市场需要先进、高效且具有成本效益的充电解决方案。快速直流充电是更优选的电动汽车充电形式之一，使用先进的电流传感来优化此类系统，将确保产品在快速增长的电动汽车充电市场中取得成功。

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