《實現(xiàn)電動汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動下一代電動汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與相關(guān)器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術(shù)背后的設(shè)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(gòu)建可擴(kuò)展、 高效且可靠的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。我們已經(jīng)介紹過兆瓦級充電系統(tǒng)架構(gòu)、雙有源橋的應(yīng)用前景等，本文將介紹電動汽車充電樁的電壓等級分類、現(xiàn)代電動汽車充電樁的規(guī)格概覽、超快充電技術(shù)突破等。

電動汽車充電樁的電壓等級分類

2023 年 2 月， 美國聯(lián)邦公路管理局 (FHWA) 將聯(lián)邦政府支持的充電樁類別精簡為三個， 并按電壓等級進(jìn)行細(xì)分。 針對其中兩類較低電壓充電樁，官方強(qiáng)制要求統(tǒng)一使用 SAE J1772(及國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 62196-1) 規(guī)定的單一端口連接配置。

下表列出了 FHWA 和交通部 (DoT) 目前批準(zhǔn)的三類 EVC 充電樁之間的區(qū)別。 這里， “PHEV” 指插電式混合動力電動汽車， “BEV” 指純電動汽車。

需要注意的是， 出于安全考慮， 高壓充電過程并非像給油箱加油那樣線性地注入電流。 當(dāng)電池電量耗盡或接近耗盡時， 現(xiàn)代充電系統(tǒng)會以恒定功率(CP) 模式開始充電， 以穩(wěn)定且相對較快的速率輸送電力。 當(dāng)充電量接近80% 時， 系統(tǒng)會過渡到恒壓 (CV) 模式， 以降低輸電速率， 同時避免導(dǎo)致電能質(zhì)量下降的諧波失真。 模式之間的轉(zhuǎn)換并非瞬時完成。 各廠商研發(fā)了專門的 CP-CV 算法， 以匹配自家車輛的儲能特性。

現(xiàn)代電動汽車充電樁的規(guī)格概覽

電動汽車充電樁雖按電壓分為三類，但常見的外形尺寸有四種， 每種尺寸都與其典型的安裝環(huán)境和使用場景相匹配。

壁掛式直流充電盒適配 1 級充電器，可接入常見的 120V 單相家用電源。對于這種外形尺寸， 自然風(fēng)冷即可滿足散熱要求。

相反， 兆瓦級充電樁必須采用液冷， 這給其設(shè)計帶來了一些限制。 這種充電樁專為三相電源設(shè)計， 由于電壓極高， 必須確保其能夠在 -45°C 至+55°C 的溫度范圍內(nèi)正常運行。

介于這兩種外形尺寸之間的是面向 2 級中端市場的充電樁。 直流快速充電樁 (DCFC) 采用三相電源， 最高支持 350 kW 的充電功率。 超快速充電樁可被視為兆瓦級充電樁的微縮版， 不僅依賴液冷散熱， 而且保留了兆瓦級充電樁通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)可擴(kuò)展性的能力。

超快充電技術(shù)突破

目前生產(chǎn)的大多數(shù)電動汽車都配備了車載充電器 (OBC)。 兆瓦級設(shè)計使得充電站內(nèi)支持高功率車外充電器在理論上變得可行。 雖然此類設(shè)計正在考慮之中， 但就目前而言， 電動汽車行業(yè)已計劃在所有級別的車輛中配備 OBC。

然而， OBC 為中小型電動汽車充電的能力相當(dāng)有限。 OBC 通常依賴交流充電， 最大額定功率為 22 kW。 DC-FC 系統(tǒng)將完全繞過 OBC， 直接向電池提供直流電， 額定功率不低于 50 kW， 很可能大于 400 kW。

這一發(fā)展或?qū)⑼苿与妱悠嚨钠占奥蔬_(dá)到“臨界規(guī)模” ， 從而真正融入日常生活。 汽車鋰離子電池的充電時間一般非常長。 半小時甚至更短的時間，或許是高速公路旅行者和運輸行業(yè)工作者可接受的補(bǔ)能時間。 縮短充電時間不僅可以提升電動汽車的普適性， 而且在石油燃料逐步退場的背景下，還能緩解充電站的排隊壓力——這也是加油站運營商關(guān)注的重點。

資料來源：Yolé Group

從分立器件到模塊

隨著充電分級逐漸成為行業(yè)常態(tài)， 不同等級之間的一個重要區(qū)別性特征將體現(xiàn)在對半導(dǎo)體的使用上。 壁掛式充電盒和快速充電器通常采用定制化設(shè)計， 并主要使用分立半導(dǎo)體器件。 超快充電樁、 兆瓦級充電樁和一些直流快速充電樁已經(jīng)轉(zhuǎn)向功率集成模塊 (PIM)。 每個 PIM 通過高密度、 高效率的封裝， 集成了大功率三相逆變器所需的大多數(shù)器件， 包括絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)， 但不含柵極驅(qū)動器。

例如， 安森美(onsemi)的 NXH011T120M3F2PTHG SiC PIM 內(nèi)置一個 11Ω SiC T型中性點箝位轉(zhuǎn)換器 (TNPC) MOSFET。 在結(jié)溫 TJ 為 25 °C 時， 其額定最大電壓為 1200V。 在柵源電壓 VGS 為 18V 、 漏極電流 ID 為 70A 的條件下，其典型導(dǎo)通電阻 RDS(on) 低至 11.9 mΩ。 此外， 該模塊集成了一個 5 kΩ 熱敏電阻， 并采用直接鍵合銅的高性能襯底 (HPS DBC)。 它適用于半橋 DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌?并采用 F2 PIM 封裝， 便于系統(tǒng)集成。

本教程稍后會闡明其中一些術(shù)語的含義。 現(xiàn)在只需知道， 正是由于將 PIM 集成到充電樁設(shè)計中， 充電樁才能在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)持續(xù)演進(jìn)的背景下， 實現(xiàn)更高程度的可升級性。

未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)介紹分立組裝與模塊組裝的比較、兆瓦級充電的可行性實現(xiàn)路徑等。