《實現(xiàn)電動汽車快速充電教程》從技術層面深入探討驅動下一代電動汽車充電系統(tǒng)的架構設計與相關器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術背后的設計挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊 (PIM) 方案如何助力構建可擴展、 高效且可靠的快速充電基礎設施。本文為系列內容第一部分，將介紹電力消耗趨勢、電動汽車充電架構演進、兆瓦級充電系統(tǒng)架構等。

全球電力消耗重新進入上升通道

為了滿足交通運輸行業(yè)的實際需求， 州際卡車停靠站和公共車輛充電站均需配備兆瓦級充電樁。 因此， 無論充電系統(tǒng)實際應用于高壓還是低壓場景，都必須按照超高電壓環(huán)境的標準進行設計， 保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。

這一要求將直接推動全球電力需求進一步攀升。 根據(jù)國際能源署的研究數(shù)據(jù)， 在 2009 至 2024 年這 15 年間， 全球電力需求其實一直處于穩(wěn)步下降態(tài)勢。 這一趨勢得益于多方面的技術進步：電子設備能效持續(xù)提升， 智能手機和計算機等微電子設備的工作電壓不斷降低， 電力輸送網(wǎng)絡的能源損耗也降至歷史最低水平。

然而， 在以下三個因素的共同作用下， 這一趨勢已發(fā)生逆轉， 全球電力消耗重新進入上升通道：

工業(yè)流程與供熱系統(tǒng)的電氣化： 工廠與商業(yè)建筑為提升能效、 降低排放， 正逐步摒棄化石燃料， 轉而采用電力驅動。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心： 隨著人工智能技術的普及， 數(shù)據(jù)中心的工作負載激增， 由此引發(fā)了對算力和散熱的巨大需求。

交通運輸?shù)碾姎饣?全球電動汽車的快速普及， 正推動交通運輸領域加速擺脫對石油的依賴。

國際能源署 (IEA) 數(shù)據(jù)顯示， 2023 年全球售出的汽車中有近五分之一是電動汽車， 其中純電動汽車占當年電動汽車銷量的 70%。

推動電動汽車充電架構演進的趨勢

多重技術影響與全新能效突破， 共同推動了當下電動汽車的發(fā)展熱潮：

鋰離子金屬材料成本下降， 帶動鋰離子電池儲能容量大幅提升， 進而推動了更高電壓、 更快充電速度的電動汽車充電樁 (EVC) 研發(fā)進程。

全球行業(yè)標準的普及， 例如國際電工委員會制定的充電器標準 IEC 61851-1 和汽車工程師協(xié)會制定的連接器標準 SAE J1772， 正推動全球充電系統(tǒng)的效率突破 95%。

雙向輸電系統(tǒng)可將電動汽車的富余電能回饋至電網(wǎng)， 實現(xiàn)電力和成本的雙重節(jié)約。

行業(yè)愈發(fā)聚焦于更高效、 更可靠的兆瓦級充電技術。

新型架構使電源轉換系統(tǒng)得以優(yōu)化：將 DC-DC 轉換過程拆解為多個更易管控的階段， 實現(xiàn)轉換器與前端的解耦， 同時推動電力收集機制的去中心化。 這帶來顯著成效：一輛純電動半掛卡車的 500 kW 電池即便接近電量耗盡， 也能在半小時內充電至 80%。

兆瓦級充電系統(tǒng)架構

橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 構想的兆瓦級 EVC 系統(tǒng)依托于一種稱為“多端口”的電源轉換系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)有望整合光伏發(fā)電 (PV)、 儲能系統(tǒng) (ESS) 和電動汽車充電三大功能。 多端口所接入的充電系統(tǒng)自身能夠輸出 10 MW 至 15 MW 的功率， 而每個多端口支持 1 MW 至 5 MW 的功率。

由于 ORNL 的兆瓦級充電系統(tǒng)需滿足半掛卡車等超高電壓充電場景的安全等級要求，因此在輕型車輛和乘用車等低壓充電場景中使用時，這種設計會更加安全。

然而，要落地該架構，就意味著充電系統(tǒng)設計模式需要轉型：從屋頂充電站這類定制化方案，轉向可適配屋頂、洲際卡車?？空尽⒔纸浅潆娬镜榷嘣獔鼍暗哪K化系統(tǒng)。

資料來源：美國橡樹嶺國家實驗室

雙有源橋的應用前景

根據(jù) ORNL 最初提出的方案， 每個 HD-EV 轉換器的額定功率為 1.2 MW。每個轉換器的充電端口配置可以是單個 1.2 MW 端口或三個 400 KW 端口。

在 ORNL 的設計構想中， DC-DC 轉換支架中每個充電端口的拓撲結構均基于雙有源橋 (DAB) 轉換器方案。 ORNL 做出的這一抉擇至關重要， 原因有以下幾點：

通過使用半導體器件， 高效率輸送可靠電力所需的同步電源整流過程可大大簡化。

通過在 DC-DC 轉換過程中使用脈沖寬度調制 (PWM)， 每個轉換器的電磁干擾 (EMI) 頻譜更加集中， 且更容易管理。

通過使用固定開關頻率， 系統(tǒng)在低負載(即僅給輕型車輛充電) 時的行為更容易處理。

DAB 是一種原生雙向拓撲， 不僅允許多余電流回送至電網(wǎng)， 還支持接入光伏發(fā)電機以為電力收集過程提供有效補充。

DC-DC 框圖：器件選型方案

未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)電動汽車充電樁的電壓等級分類、超快充電技術突破、功率因數(shù)校正 (PFC) 級、諧振電源轉換級、打造更快速電動汽車充電系統(tǒng)的安森美方案、現(xiàn)代地面交通的演進等。