【導(dǎo)讀】從歐盟政策強(qiáng)驅(qū)動(dòng)到全球市場(chǎng)拉動(dòng)，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施正以前所未有的速度擴(kuò)張。2024年全球公共充電樁已超500萬(wàn)個(gè)，快充樁達(dá)200萬(wàn)個(gè)，超充樁同比增長(zhǎng)超50%，雙向充電等新需求更添復(fù)雜性。在功率躍升、尺寸縮小、電磁環(huán)境嚴(yán)苛的背景下，充電器控制電路的信號(hào)完整性與隔離設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——作為國(guó)際充電標(biāo)準(zhǔn)核心的電力線通信（PLC），其2MHz至30MHz頻段內(nèi)的微弱信號(hào)極易受插入損耗、電磁干擾和阻抗不匹配影響而中斷，直接關(guān)乎充電成敗。本文聚焦這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探討脈沖變壓器如何通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)保持信號(hào)保真度并提供電氣隔離，成為xEV充電系統(tǒng)中保障可靠通信的使能元件，并以TDK AMT45S為例展示專用化設(shè)計(jì)如何應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。
本文將探討，隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模擴(kuò)展、外形尺寸縮小、功率水平提高，以及可靠的電力線通信（PLC）成為國(guó)際充電標(biāo)準(zhǔn)的核心，各類電動(dòng)汽車（統(tǒng)稱為xEV）的充電器控制電路為何面臨日益嚴(yán)峻的信號(hào)完整性和隔離設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨后，我們將闡述脈沖變壓器如何通過工程設(shè)計(jì)來保障PLC性能、提供隔離，并在現(xiàn)代xEV充電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠通信。
為何電動(dòng)汽車充電器的控制電路具有獨(dú)特挑戰(zhàn)
關(guān)于電動(dòng)汽車充電器的討論大多集中在支持更高功率水平的電力電子設(shè)備上，但驅(qū)動(dòng)電力電子設(shè)備的控制電路才是確?？煽啃缘年P(guān)鍵。電動(dòng)汽車充電器主要由兩部分組成：功率級(jí)負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，而控制級(jí)則確保充電過程安全、高效。
控制信號(hào)可以通過獨(dú)立的通信接口或通過PLC傳輸，后者將數(shù)據(jù)通過充電接口內(nèi)的控制導(dǎo)線（CP）進(jìn)行傳輸。這種傳輸方式避免了在充電接口內(nèi)設(shè)置單獨(dú)的專用數(shù)據(jù)電纜，有助于降低系統(tǒng)復(fù)雜性、減輕重量并減少連接器數(shù)量。
北美充電標(biāo)準(zhǔn)（NACS）和組合充電系統(tǒng)（CCS）均采用PLC進(jìn)行充電。ISO 15118等標(biāo)準(zhǔn)定義了基于PLC充電的電氣和通信要求，包括信號(hào)強(qiáng)度和抗干擾能力，這些要求直接影響控制電路的設(shè)計(jì)[2]。隨著標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)融合，車輛能夠通過簡(jiǎn)單的“即插即充”過程自動(dòng)識(shí)別自身并協(xié)商充電，這給設(shè)計(jì)過程帶來了新的挑戰(zhàn)。
確?？刂菩盘?hào)的質(zhì)量對(duì)于充電至關(guān)重要，也是滿足相關(guān)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的必要條件?？刂菩盘?hào)微弱或受到干擾，可能導(dǎo)致充電會(huì)話管理失敗，并阻止充電器與電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行通信?？刂凭€路中的每個(gè)組件、導(dǎo)線或連接器都會(huì)引入插入損耗，從而衰減、扭曲寬帶PLC信號(hào)。在較高頻率下，插入損耗更大，這確實(shí)會(huì)影響2MHz至30MHz范圍內(nèi)的PLC通信。
除了信號(hào)衰減之外，信號(hào)完整性還面臨其他威脅。當(dāng)前縮小充電器尺寸的趨勢(shì)意味著控制電子元器件和功率電子元器件將共用一塊更小的電路板。為為了提高設(shè)計(jì)功率密度和效率，通常會(huì)采用寬禁帶（WBG）電子器件。這些器件能夠以極快的速度切換大電流，從而可能在與PLC相似的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）。此外，快速瞬態(tài)和可變的電纜阻抗也會(huì)影響控制信號(hào)的完整性。
脈沖變壓器的價(jià)值
應(yīng)對(duì)控制信號(hào)質(zhì)量方面的挑戰(zhàn)，使脈沖變壓器成為充電過程中最重要的元器件之一。這些器件利用磁耦合，在電路之間快速傳輸高速矩形脈沖，且失真極小。在電動(dòng)汽車充電器中，它們?cè)诒３挚刂菩盘?hào)完整性的同時(shí)，還提供了電隔離，從而保護(hù)控制電路免受電源電路和EMI的影響（圖1）。脈沖變壓器還可有效阻隔信號(hào)的直流分量并抑制共模噪聲。其他用于執(zhí)行這些任務(wù)的方案效果較差，且需要在頻率響應(yīng)與抗噪聲能力之間進(jìn)行權(quán)衡。
圖1：在PLC電路中，脈沖變壓器對(duì)于保持信號(hào)完整性以及保護(hù)控制電路免受大功率電路和噪聲的影響至關(guān)重要。（圖源：TDK）
為了盡可能減少信號(hào)衰減，電動(dòng)汽車充電應(yīng)用中的脈沖變壓器必須在整個(gè)2MHz至30MHz傳輸帶寬內(nèi)保持低插入損耗。
雖然有多種變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能滿足這些電氣要求，但環(huán)形脈沖變壓器常用于PLC通信電路。然而，其傳統(tǒng)的手工繞線工藝難以實(shí)現(xiàn)一致的繞線質(zhì)量。此外，為了承受高壓，這類變壓器通常需進(jìn)行樹脂浸漬處理，這進(jìn)一步增加了體積和成本。
脈沖變壓器設(shè)計(jì)的新方法
在基于PLC的電動(dòng)汽車充電控制電路中，脈沖變壓器的設(shè)計(jì)側(cè)重于信號(hào)性能，而非傳統(tǒng)的功率級(jí)隔離。全自動(dòng)化繞線技術(shù)提高了一致性并減少了變異性，有助于盡可能降低插入損耗。與手工繞線設(shè)計(jì)相比，這些方法還支持更小的外形尺寸和更具成本效益的制造。
此外，通過優(yōu)化鐵氧體選型和繞組幾何結(jié)構(gòu)，可在2MHz至30MHz的整個(gè)PLC頻率范圍內(nèi)保持較低的插入損耗。對(duì)于xEV PLC應(yīng)用，去除不必要的絕緣層可進(jìn)一步縮小尺寸并降低寄生效應(yīng)，且不會(huì)影響性能，因?yàn)榭刂齐娐窡o需達(dá)到與直接連接電網(wǎng)的大功率組件相同的隔離等級(jí)。
用于xEV充電控制電路的AMT45S
TDK AMT45S是一款專為滿足電動(dòng)汽車充電應(yīng)用中PLC通信需求而設(shè)計(jì)的脈沖變壓器。該產(chǎn)品采用全自動(dòng)繞線技術(shù)制造，且未采用樹脂涂層，這有助于縮小尺寸，并使其比其他解決方案更具成本效益。其鐵氧體和繞組幾何結(jié)構(gòu)均經(jīng)過從零開始的全新開發(fā)，旨在整個(gè)2MHz至30MHz頻率帶寬內(nèi)提供盡可能低的插入損耗（圖2）。
圖2：TDK AMT45S在整個(gè)PLC頻率范圍內(nèi)均表現(xiàn)出極低的插入損耗。（圖源：TDK）
AMT45S脈沖變壓器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可在漫長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)保持最高可靠性。其小巧的占用空間使其非常適合用于抗干擾控制布局的核心位置。該器件還適用于車載充電器和充電站。為了支持設(shè)計(jì)集成，該器件已通過多種PLC芯片組的驗(yàn)證，包括高通的QCA系列和Lumissil的IS32CG系列。
結(jié)語(yǔ)
隨著電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)擴(kuò)展，控制電路通信的可靠性已成為決定充電器整體性能的關(guān)鍵因素。在功率水平提高、布局更緊湊以及電磁干擾（EMI）加劇的情況下，要保持PLC信號(hào)的完整性，就必須仔細(xì)關(guān)注通信路徑中的每一個(gè)元件，這使得脈沖變壓器從一個(gè)輔助組件轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵使能器。TDK AMT45S等專用解決方案表明，變壓器設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步——通過低插入損耗、有效隔離和緊湊的外形尺寸——能夠直接支持現(xiàn)代xEV充電器中符合標(biāo)準(zhǔn)且抗干擾的PLC通信。
隨著充電系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)，越來越明顯的是：未來快速、可靠的電動(dòng)汽車充電不僅取決于電力傳輸?shù)男剩€取決于控制信號(hào)能否在傳輸過程中保持純凈且穩(wěn)定。
