【技术干货】解析电动车充电架构与安全保护解决方案

为支持各国政府的环境碳中和目标，当前全球的电动车充电应用市场呈指数增长，其中的250kW和350kW充电器预计将增长33%。电动车充电应用具有特定的技术要求，例如需要很低的隔离电容，通常需小于5pF，理想情况下为3pF，且在设计上更需要考虑共模瞬变抗扰度（CMTI）的要求，在dV/dt抗扰度方面，随着开关频率不断增加，新一代碳化硅现在需要更高的水平，在局部放电方面，SiC需要能够支持1200V，某些应用可能会增加到1500V。

此外，随着电动车的普及，急速充电技术得到了大幅度的改进。例如，直流快充（DC Fast Charging）技术可以在短时间内将电池充满，提高了用户的便利性和使用体验。

另一方面，电动车的发展需要更高能量密度和更长的续航里程，因此高效能电池技术的研究和应用非常重要。例如，锂离子电池和固态电池等新型电池技术的出现，使得电池的能量密度和充放电效率得到了显著提升。

为了吸引更多消费者采购电动车与抢占充电站商机，各地政府和企业纷纷加大对充电基础设施的建设投入，扩建充电站点和充电桩数量，以满足日益增长的电动车需求。此外，智能充电管理系统的应用也越来越普遍，可以实现充电效率的大幅提升和充电设备的智能管理。

随着可再生能源的发展和应用，电动车充电系统也开始整合可再生能源，例如太阳能充电站和风力发电充电设施，进一步降低充电过程的碳排放量。此外，无线充电技术也是未来的一个重要发展方向，通过传感器和电磁场等技术，可以实现不需要插线即可对电动车进行充电，提高了使用便利性和充电安全性。

电动车充电的技术架构包含多个重要组件和技术，其中包括充电器、充电控制系统、充电接口、充电网络和智能系统、充电设备安全保护等部分，来确保电动车充电迅速、有效、安全地施行。

充电器是将交流电转换为直流电，以对电动车电池进行充电的设备，充电器的类型包括家用充电器、公共充电桩、急速充电器、车载充电器等。家用充电器通常用于家庭或者工作场所，功率较低，充电速度较慢。而公共充电桩则设置在公共场所或者商业区域，提供给大众使用。急速充电器则拥有更高的功率输出，可以在短时间内将电动车充满电，提高了充电效率和便利性。车载充电器则是一种安装在汽车内部的充电设备，用于为车辆电池或内部电子设备进行充电。

充电控制系统则负责管理充电过程中的电流和电压，确保电动车电池的安全充电和正常运作。它可以监测电池的温度、电压和电流，并根据需求调整充电速率，以避免过充或过放电的情况发生。

充电接口是电动车与充电设备进行连接的接口，通常位于电动车的车身或者充电口上。常见的充电接口包括 Type 1、Type 2、CHAdeMO、CCS 等不同标准，各地区和车型可能采用不同的接口标准。

充电网络则包括充电站点、充电桩、充电管理系统等，构成了整个充电基础设施。智能系统则通过互联网、软件和传感器等技术，实现充电设备的智能管理、远程监控和用户服务，提高了充电系统的效率和便利性。

充电设备通常配备有安全保护功能，包括过流保护、过压保护、过温保护等，以确保充电过程中的安全性和可靠性。电动车充电系统也通常会有防水、防尘和防火等设计，以应对不同环境和情况下的使用需求。

这些组件和技术共同构成了电动车充电的技术架构，为电动车的充电提供了基础设施和安全保障。

在电动车充电的过程中，充电的安全性与保护架构是至关重要的事项，其中需要注意充电设备的安全性、电池安全保护、防火防爆设计、正确的充电方式、充电环境和操作等多个方面进行考虑和措施，以确保充电过程的安全性和可靠性。

在充电设备的安全性方面，应确保使用合格、认证的充电设备，避免使用损坏或者未经认可的设备，以确保充电过程的安全性，并定期检查和维护充电设备，确保其正常运作和安全性能，例如检查充电桩、充电线和接口的状态。

电池的安全保护也相当重要，在充电过程中，要确保电池的温度和电压处于安全范围内，避免过热或过冷以及过充或过放电的情况发生，并使用具有电池管理系统（BMS）的充电设备，能够监控和调节充电过程中的电流和电压，确保电池的安全性和寿命。

此外，充电设备应具备防火防爆设计，例如预防短路、过载和过压等情况发生，减少火灾和爆炸的风险，并使用防火防爆材料和结构设计，提高充电设备的安全性和可靠性。

另一方面，应根据电动车的型号和规格，选择正确的充电方式和充电设备，避免因充电方式不当而导致安全问题，并避免长时间急速充电或者过度放电，以确保电池的安全性和寿命。

在充电过程中，要确保充电设备和电池处于安全的环境中，避免潮湿、高温或者在有爆炸危险的场所进行充电。操作充电设备时要专注并遵循操作指南，避免操作失误或者不当操作导致的安全隐患。

Murata 推出了一系列专门为栅极驱动电路设计的栅极驱动 DC-DC 转换器，通常用于新能源、运动与控制、移动性和医疗保健解决方案中。这些产品具有很低的隔离电容3pF、优化的 IGBT/SiC 和 MOS 栅极驱动的双极输出电压，直流链路电压最高可承受3KV，并针对局部放电提供高可靠性，dv/dt 抗扰度在 1.6kV 下可达 80kV/µS。其中适用于电动车充电应用的主要产品包括MGJ1 SIP、MGJ2B、MGJ1/MGJ2、MGJ3/MGJ6、NXE、NXJ系列。

Murata 新推出的 MGJ1 SIP 系列与 MGJ2B 系列 DC-DC转换器，非常适合为桥式电路中的 IGBT/MOSFET、SiC 和 GaN 栅极驱动器的“高侧”和“低侧”栅极驱动电路供电。选择不对称输出电压可实现理想驱动电平，从而实现理想的系统效率和EMI。MGJ1 SIP系列与MGJ2B系列的特点是满足电机驱动和逆变器中使用的桥式电路中常见的高隔离和dv/dt要求，而MGJ1 SIP系列与MGJ2B系列的高工作温度额定值和结构，可提供较长的使用寿命和可靠性。

MGJ1 SIP 系列与 MGJ2B 系列均具有 2.4kV 的连续阻挡耐压，以及 6mm 爬电距离和电气间隙，优化的输出电压旨在满足技术水平居前的 IGBT/SiC 和 MOSFET 器件的要求，MGJ1 SIP 系列支持额定功率 1W 的 300Vrms 加强绝缘，MGJ2B 系列则支持额定功率 2W 的 300Vrms 加强绝缘。

MGJ1 SIP系列与MGJ2B系列可针对IGBT/MOSFET、SiC 和 GaN 栅极驱动器优化的双极输出电压，强化绝缘符合 UL62368-1 认证，目前针对 ANSI/AAMI ES60601-1、1 MOPP/2 MOOP 等标准的合规仍待定，MGJ1 SIP 系列通过 5.2kVDC 隔离测试电压“耐压测试”，MGJ2B 系列则通过 5.4kVDC 隔离测试电压“耐压测试”，两者均具有很低的隔离电容，均支持 5V、12V、15V 和 24V输入，MGJ1 SIP 系列支持+6V/-3V、+15V/-3V、+15V/-5V、+15V/-9V、+18V/-2.5V 和 +20V/-5V 输出，MGJ2B 系列则支持 +15V/-3V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+15V/-15V、+17V/-9V、+18V/-2.5V、+18V/-5V3、+20V/-3.5V和 +20V/-5V 输出，两个系列的工作温度均可达 105℃，CMTI 均大于 200kV/µS，都支持连续阻挡耐压 2.4kVDC，以及局部放电性能特性，均采用 SIP 封装。

电动车充电安全性是保障电动车正常运行和用户安全的重要环节，需要综合考虑充电设备的安全性、电池管理、防火防爆设计，以及充电操作的正确性等方面，可以有效提高充电过程的安全性和可靠性。本文所介绍的电动车充电安全保护架构与系统，将可借助 Murata 的一系列 DC-DC 转换器来实现。