《實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動(dòng)下一代電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)器件。重點(diǎn)涵蓋兆瓦級(jí)電動(dòng)汽車充電技術(shù)背后的設(shè)計(jì)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(guò)兆瓦級(jí)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(dòng)汽車充電樁的電壓等級(jí)分類、現(xiàn)代電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)格概覽、超快充電技術(shù)突破等。

電動(dòng)汽車充電樁的電壓等級(jí)分類

2023 年 2 月， 美國(guó)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(jiǎn)為三個(gè)， 并按電壓等級(jí)進(jìn)行細(xì)分。 針對(duì)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(guó)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(dòng)力電動(dòng)汽車， “BEV” 指純電動(dòng)汽車。

需要注意的是， 出于安全考慮， 高壓充電過(guò)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(shí)， 現(xiàn)代充電系統(tǒng)會(huì)以恒定功率(CP) 模式開(kāi)始充電， 以穩(wěn)定且相對(duì)較快的速率輸送電力。 當(dāng)充電量接近80% 時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)過(guò)渡到恒壓 (CV) 模式， 以降低輸電速率， 同時(shí)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(shí)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(chǔ)能特性。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)格概覽

電動(dòng)汽車充電樁雖按電壓分為三類，但常見(jiàn)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(chǎng)景相匹配。

壁掛式直流充電盒適配 1 級(jí)充電器，可接入常見(jiàn)的 120V 單相家用電源。對(duì)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(jí)充電樁必須采用液冷， 這給其設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些限制。 這種充電樁專為三相電源設(shè)計(jì)， 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(yùn)行。

介于這兩種外形尺寸之間的是面向 2 級(jí)中端市場(chǎng)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(jí)充電樁的微縮版， 不僅依賴液冷散熱， 而且保留了兆瓦級(jí)充電樁通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)汽車都配備了車載充電器 (OBC)。 兆瓦級(jí)設(shè)計(jì)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(jì)正在考慮之中， 但就目前而言， 電動(dòng)汽車行業(yè)已計(jì)劃在所有級(jí)別的車輛中配備 OBC。

然而， OBC 為中小型電動(dòng)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(guò) 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?dòng)電動(dòng)汽車的普及率達(dá)到“臨界規(guī)?！?， 從而真正融入日常生活。 汽車鋰離子電池的充電時(shí)間一般非常長(zhǎng)。 半小時(shí)甚至更短的時(shí)間，或許是高速公路旅行者和運(yùn)輸行業(yè)工作者可接受的補(bǔ)能時(shí)間。 縮短充電時(shí)間不僅可以提升電動(dòng)汽車的普適性， 而且在石油燃料逐步退場(chǎng)的背景下，還能緩解充電站的排隊(duì)壓力——這也是加油站運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。

資料來(lái)源：Yolé Group

從分立器件到模塊

隨著充電分級(jí)逐漸成為行業(yè)常態(tài)， 不同等級(jí)之間的一個(gè)重要區(qū)別性特征將體現(xiàn)在對(duì)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(jì)， 并主要使用分立半導(dǎo)體器件。 超快充電樁、 兆瓦級(jí)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(gè) PIM 通過(guò)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(dòng)器。

例如， 安森美(onsemi)的 NXH011T120M3F2PTHG SiC PIM 內(nèi)置一個(gè) 11Ω SiC T型中性點(diǎn)箝位轉(zhuǎn)換器 (TNPC) MOSFET。 在結(jié)溫 TJ 為 25 °C 時(shí)， 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(gè) 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(huì)闡明其中一些術(shù)語(yǔ)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(jì)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(shí)現(xiàn)更高程度的可升級(jí)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(jí)充電的可行性實(shí)現(xiàn)路徑等。