電動車直流充電基礎(chǔ)設(shè)施如何實現(xiàn)快速充電？

盡管電動車 (EV) 起步發(fā)展略顯緩慢，但市場接受度在不斷提高，發(fā)展速度也在不斷加快。限制EV使用的一個關(guān)鍵因素是充電點的相對缺乏，特別是可用于“旅途中”充電的快速充電點。從某些方面講，就是“先有雞還是先有蛋”的問題，因為在用更多的充電點克服“里程焦慮”之前，EV的銷售是有限的，而在更多的EV上路之前，公司不愿投資于充電基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，為了給汽油車加油，僅有的選擇就是去加油站，這些加油站成千上萬，位于高速公路旁、城市和許多城鎮(zhèn)。

隨著EV的出現(xiàn)，情況發(fā)生了變化：雖然許多加油站會加入充電點，但它們幾乎可安裝在車輛可停放的任何地方—工作場所、公共建筑、路邊服務區(qū)、住宅街道，甚至是駕駛者自己的住所內(nèi)。

EV有多種類型，混合類型（插電混動PHEV、全混動Full HEV、輕度混動MHEV）替代內(nèi)燃機（ICE）這一傳統(tǒng)推進力源，用電動馬達和內(nèi)燃機互相協(xié)助成為新的動力源；完全由電池驅(qū)動的車輛只有電動馬達，被稱為BEV；而萌芽的FCEV 基于燃料電池。一般來說，混合動力車可由內(nèi)燃機自充電，但有些類型（PHEV）可通過插電進行充電。

預期所有類型的電動車（xEV）的銷售在未來幾年將呈現(xiàn)加速增長，其中BEV和MHEV的增長最為強勁。

圖1：預測的xEV銷量(圖片來源：HIS,Omdia2020)

為了支持xEV的增長，需要充電基礎(chǔ)設(shè)施的相應增長。目前，絕大多數(shù)的充電點都在中國—尤其是快速充電樁，安裝量超過80%。

圖2：2019年按國家劃分的私人和公共充電樁(圖片來源：IEA2020)

根據(jù)研究公司Research and Markets的數(shù)據(jù)，在2020年至2027年期間，充電樁的安裝量復合年增長率 (CAGR) 將達31.8%，相關(guān)價值的CAGR將達39.8%，這表明在此期間的售價會上漲。

直流充電標準和協(xié)議

為了使xEV能被公用的充電器充電，標準化必須到位，必須有通用協(xié)議。這在車輛經(jīng)常從一個國家到另一個國家的地區(qū)，如歐洲，尤其重要。

全球有三個主要協(xié)議，它們來自一系列的國際標準。CHAdeMO（charge de move）于2010年在日本啟用，得到了日本主要公司（日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田等）以及一些歐洲制造商的支持。借鑒IEC6185和IEC62196等國際標準，CHAdeMO定義了一個特定的連接器。此外，其還定義了充電器—目前最高為400 千瓦 /1000 伏，但據(jù)報道，與中國電力委員會 (China Electricity Council) 的合作關(guān)系正在考慮將充電器提高到900 千瓦。

聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）最初由歐洲和美國的領(lǐng)先制造商發(fā)起，包括大眾、奧迪、寶馬、戴姆勒、福特、通用和沃爾沃，現(xiàn)在也包括一些亞洲制造商。CCS的交流和直流標準來自適用的 IEC、SAE和ISO標準，并正在制定高達350 千瓦的充電器標準。目前部署有超過33,000 個充電點，其中一半以上是50 千瓦。

最后一個標準是快速直流充電的特斯拉超級充電器，這是特斯拉汽車的專有標準。目前已經(jīng)安裝了超過2 萬個站，使用特斯拉的專有連接器，并提供高達250 千瓦的功率。為了擴大網(wǎng)絡，特斯拉現(xiàn)在正在為一些車輛提供適配器，以使用CCS充電站。在歐洲，一些特斯拉汽車上安裝了CCS兼容端口。

所有標準的充電時間都是由電池容量、電荷狀態(tài)和充電站的可用功率以及車輛可能的最大充電速率決定的。例如，在100 千瓦時的充電條件下，一輛“普通”車輛需要29 分鐘才能增加266 公里的里程。這比給汽油車加油的3-5 分鐘要長得多，這也解釋了為什么各組織正推動更高的充電率。

快速直流充電和相關(guān)的電源拓撲

有兩種類型的充電—車載和非車載，該定義涉及在哪里進行直流電轉(zhuǎn)換。車載充電器將交流電從墻上的插座或充電點引入車輛，由車載充電器將其轉(zhuǎn)換為直流電，為電池充電。相反，非車載充電器在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為直流電，然后向車輛提供直流電，直接為電池充電。

快速直流充電器在主動力總成中包含兩級—功率因素校正（PFC）級和DC-DC轉(zhuǎn)換級。有幾種PFC升壓拓撲結(jié)構(gòu)，適合單向充電，包括NPC、T-NPC和6開關(guān)。由于正在考慮在電力昂貴的時期利用汽車電池中儲存的能量為家庭供電，雙向工作的能力變得越來越重要。

圖3：充電可以是車載的，也可以是非車載的(圖片來源：Yole Development)

具有低內(nèi)阻RDSon（在40 m以下）的碳化硅（SiC）MOSFET是首選方案，特別是對于較高的功率范圍，因為它們的能效比同類硅方案高。理想情況下，這些將體現(xiàn)在功率集成模塊（PIM）中，因為這些集成方案提供更好的性能，并簡化設(shè)計，和減小系統(tǒng)尺寸，提高可靠性。T- 中性點鉗位（T-NPC）類型也需要1200 V的二極管（或雙向工作開關(guān)），而NPC使用650 V SiC MOSFET或IGBT等開關(guān)。

對于DC-DC轉(zhuǎn)換級，有兩種主要拓撲結(jié)構(gòu)：全橋諧振LLC和全橋零電壓開關(guān)（ZVS）。LLC在初級端實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），通常在次級端支持零電流開關(guān)（ZCS），這使得在接近諧振頻率的情況下，能效水平非常高。如果工作頻率是有限的，LLC轉(zhuǎn)換器就是個高效的方案，但由于相關(guān)電流共享和同步難題，并行運行是個挑戰(zhàn)。

總結(jié)

提供廣泛的快速充電網(wǎng)絡被認為是未來幾年EV銷量增長的關(guān)鍵成功因素之一。目前有幾個標準，每個都來自不同的行業(yè)團體，雖然有明顯的差異，但都同樣需要更大的功率和更高的能效。SiC器件是實現(xiàn)快速充電的關(guān)鍵，其對于EV的成功普及有著至關(guān)重要的作用。