电动车直流充电基础设施如何实现快速充电？

尽管电动车 (EV) 起步发展略显缓慢，但市场接受度在不断提高，发展速度也在不断加快。限制EV使用的一个关键因素是充电点的相对缺乏，特别是可用于“旅途中”充电的快速充电点。从某些方面讲，就是“先有鸡还是先有蛋”的问题，因为在用更多的充电点克服“里程焦虑”之前，EV的销售是有限的，而在更多的EV上路之前，公司不愿投资于充电基础设施。

目前，为了给汽油车加油，仅有的选择就是去加油站，这些加油站成千上万，位于高速公路旁、城市和许多城镇。

随着EV的出现，情况发生了变化：虽然许多加油站会加入充电点，但它们几乎可安装在车辆可停放的任何地方—工作场所、公共建筑、路边服务区、住宅街道，甚至是驾驶者自己的住所内。

EV有多种类型，混合类型（插电混动PHEV、全混动Full HEV、轻度混动MHEV）替代内燃机（ICE）这一传统推进力源，用电动马达和内燃机互相协助成为新的动力源；完全由电池驱动的车辆只有电动马达，被称为BEV；而萌芽的FCEV 基于燃料电池。一般来说，混合动力车可由内燃机自充电，但有些类型（PHEV）可通过插电进行充电。

预期所有类型的电动车（xEV）的销售在未来几年将呈现加速增长，其中BEV和MHEV的增长最为强劲。

图1：预测的xEV销量(图片来源：HIS,Omdia2020)

为了支持xEV的增长，需要充电基础设施的相应增长。目前，绝大多数的充电点都在中国—尤其是快速充电桩，安装量超过80%。

图2：2019年按国家划分的私人和公共充电桩(图片来源：IEA2020)

根据研究公司Research and Markets的数据，在2020年至2027年期间，充电桩的安装量复合年增长率 (CAGR) 将达31.8%，相关价值的CAGR将达39.8%，这表明在此期间的售价会上涨。

直流充电标准和协议

为了使xEV能被公用的充电器充电，标准化必须到位，必须有通用协议。这在车辆经常从一个国家到另一个国家的地区，如欧洲，尤其重要。

全球有三个主要协议，它们来自一系列的国际标准。CHAdeMO（charge de move）于2010年在日本启用，得到了日本主要公司（日产、三菱、丰田、日立、本田等）以及一些欧洲制造商的支持。借鉴IEC6185和IEC62196等国际标准，CHAdeMO定义了一个特定的连接器。此外，其还定义了充电器—目前最高为400 千瓦 /1000 伏，但据报道，与中国电力委员会 (China Electricity Council) 的合作关系正在考虑将充电器提高到900 千瓦。

联合充电系统（CCS）最初由欧洲和美国的领先制造商发起，包括大众、奥迪、宝马、戴姆勒、福特、通用和沃尔沃，现在也包括一些亚洲制造商。CCS的交流和直流标准来自适用的 IEC、SAE和ISO标准，并正在制定高达350 千瓦的充电器标准。目前部署有超过33,000 个充电点，其中一半以上是50 千瓦。

最后一个标准是快速直流充电的特斯拉超级充电器，这是特斯拉汽车的专有标准。目前已经安装了超过2 万个站，使用特斯拉的专有连接器，并提供高达250 千瓦的功率。为了扩大网络，特斯拉现在正在为一些车辆提供适配器，以使用CCS充电站。在欧洲，一些特斯拉汽车上安装了CCS兼容端口。

所有标准的充电时间都是由电池容量、电荷状态和充电站的可用功率以及车辆可能的最大充电速率决定的。例如，在100 千瓦时的充电条件下，一辆“普通”车辆需要29 分钟才能增加266 公里的里程。这比给汽油车加油的3-5 分钟要长得多，这也解释了为什么各组织正推动更高的充电率。

快速直流充电和相关的电源拓扑

有两种类型的充电—车载和非车载，该定义涉及在哪里进行直流电转换。车载充电器将交流电从墙上的插座或充电点引入车辆，由车载充电器将其转换为直流电，为电池充电。相反，非车载充电器在内部转换为直流电，然后向车辆提供直流电，直接为电池充电。

快速直流充电器在主动力总成中包含两级—功率因素校正（PFC）级和DC-DC转换级。有几种PFC升压拓扑结构，适合单向充电，包括NPC、T-NPC和6开关。由于正在考虑在电力昂贵的时期利用汽车电池中储存的能量为家庭供电，双向工作的能力变得越来越重要。

图3：充电可以是车载的，也可以是非车载的(图片来源：Yole Development)

具有低内阻RDSon（在40 m以下）的碳化硅（SiC）MOSFET是首选方案，特别是对于较高的功率范围，因为它们的能效比同类硅方案高。理想情况下，这些将体现在功率集成模块（PIM）中，因为这些集成方案提供更好的性能，并简化设计，和减小系统尺寸，提高可靠性。T- 中性点钳位（T-NPC）类型也需要1200 V的二极管（或双向工作开关），而NPC使用650 V SiC MOSFET或IGBT等开关。

对于DC-DC转换级，有两种主要拓扑结构：全桥谐振LLC和全桥零电压开关（ZVS）。LLC在初级端实现零电压开关（ZVS），通常在次级端支持零电流开关（ZCS），这使得在接近谐振频率的情况下，能效水平非常高。如果工作频率是有限的，LLC转换器就是个高效的方案，但由于相关电流共享和同步难题，并行运行是个挑战。

总结

提供广泛的快速充电网络被认为是未来几年EV销量增长的关键成功因素之一。目前有几个标准，每个都来自不同的行业团体，虽然有明显的差异，但都同样需要更大的功率和更高的能效。SiC器件是实现快速充电的关键，其对于EV的成功普及有着至关重要的作用。

来源：Onsemi