【導(dǎo)讀】《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。
（一） 電動(dòng)汽車充電樁的電壓等級(jí)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(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（及國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62196-1）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。
（二） 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(jí)充電器，可接入常見的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℃至+55℃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)中端市場的充電樁。直流快速充電樁（DCFC）采用三相電源，最高支持350kW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)充電樁通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性的能力。
（三） 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22kW。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50kW，很可能大于400kW。
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)模”，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。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)營商關(guān)注的重點(diǎn)。
資料來源：Yolé Group
（四） 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℃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11.9mΩ。此外，該模塊集成了一個(gè)5kΩ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⒉捎肍2PIM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。
