爆火的電動(dòng)汽車直流充電樁設(shè)計(jì)指南，就在這里了

為滿足電動(dòng)汽車日益增長(zhǎng)的需求，必須建立更多更快捷的充電基礎(chǔ)設(shè)施。同時(shí)，作為實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的關(guān)鍵手段，需要高效設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車充電器件采用。預(yù)計(jì)充電模塊將朝著更高功率和更高效率的趨勢(shì)發(fā)展。通過(guò)采用合適的功率元件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及堅(jiān)固耐用的控制器，我們將擁有更多大功率充電站，在解決用戶續(xù)航焦慮的同時(shí)減少碳排放。本指南介紹了電動(dòng)汽車直流充電樁設(shè)計(jì)方法，第一篇將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)目標(biāo)、市場(chǎng)信息與展望、系統(tǒng)描述。

系統(tǒng)目標(biāo)

電動(dòng)汽車的普及給消費(fèi)者和社會(huì)都帶來(lái)了諸多益處。許多國(guó)家實(shí)施了稅收優(yōu)惠政策，降低了電動(dòng)汽車購(gòu)買者的總擁有成本。同時(shí)，高度電子化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的汽車，提升了用戶體驗(yàn)。在環(huán)境和社會(huì)方面，電動(dòng)汽車消除了碳排放，有助于各國(guó)和企業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。此外，它還為擺脫對(duì)化石燃料的依賴提供了機(jī)會(huì)。

傳統(tǒng)燃油車通常只需 5 分鐘加油就能行駛數(shù)百公里，作為傳統(tǒng)燃油車的替代品，電動(dòng)汽車一直致力于縮短充電時(shí)間，同時(shí)達(dá)到相近的續(xù)航里程。主流的電動(dòng)汽車充電解決方案是利用更高的充電電壓。與具有軟電壓限制的交流充電相比，直流快充可以在 800V 的電壓下工作，因此充電功率更高、電流更小、發(fā)熱更少、損耗更低。

直流充電樁主要有兩種類型。體積較大的是商業(yè)快充站使用的三相快充充電樁，其單個(gè)充電樁的最大輸出功率可達(dá) 600 kW。另一種體積較小的充電樁是交流充電樁的替代品，通常被稱為直流 Wallbox 充電樁，支持單相/三相交流輸入。它的輸出功率較小，適合家庭使用，例如 25 kW。

市場(chǎng)信息與展望

■ 不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車充電樁市場(chǎng)
根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《2023 年全球電動(dòng)汽車展望》 ，預(yù)計(jì) 2023 年全球電動(dòng)汽車銷量將達(dá)到約 1400 萬(wàn)輛，比 2022 年增長(zhǎng) 35%。為支持不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車保有量， 2022年全球已安裝超過(guò) 270 萬(wàn)套公共充電樁，預(yù)計(jì)到 2030 年將達(dá)到 1250 萬(wàn)套。

■ 更高的充電電壓和功率

首款采用 800 V 系統(tǒng)電壓的電動(dòng)汽車于幾年前發(fā)布，當(dāng)時(shí)其他類型的電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)額定電壓在 300 V- 500 V 之間。800V 平臺(tái)意味著更高的充電電壓，從而在相同的功率條件下具有更低的充電電流、更少的布線、更低的功耗和一系列其他優(yōu)勢(shì)。它還能實(shí)現(xiàn)更高的充電功率。如今，全球已推出或即將推出 20 多款配備 800 V 系統(tǒng)的車型，提供超過(guò)350kW 充電功率的快速充電站已廣泛普及。

■ 更高的功率密度

大功率充電樁通常集成了多個(gè)充電模塊。電動(dòng)汽車直流充電樁本質(zhì)上是一個(gè)包含繼電器、儀表、斷路器、輔助電源、風(fēng)扇以及各種其他組件的機(jī)柜。雖然電動(dòng)汽車直流充電樁通常不需要緊湊型設(shè)計(jì)， 但具有更高功率密度的充電模塊可使得單個(gè)機(jī)柜內(nèi)能夠容納更多的模塊。在有限空間內(nèi)的這種擴(kuò)展可以增強(qiáng)輸出能力， 同時(shí)提供額外的空間來(lái)解決散熱問(wèn)題。

■ 碳化硅器件用于電動(dòng)汽車直流充電樁

碳化硅元件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如較低的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)、高頻開(kāi)關(guān)特性、高電壓和耐溫性，因此已逐漸應(yīng)用于高性能電動(dòng)汽車直流充電樁中。與利用并聯(lián)配置來(lái)處理更大的電流相比，使用功率模塊可有效提高功率密度、改善系統(tǒng)可靠性并避免寄生效應(yīng)引起的問(wèn)題。

■ 新生態(tài)系統(tǒng)：儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS） 和光伏逆變器系統(tǒng)

直流充電站的擴(kuò)建給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。潛在的問(wèn)題包括當(dāng)大量充電設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響、低功率因數(shù)設(shè)備或空載設(shè)備對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染，以及當(dāng)?shù)刈儔浩魅萘康南拗?。連接光伏逆變器系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)變得至關(guān)重要。光伏逆變器可以與電網(wǎng)分擔(dān)一部分電力負(fù)載，而儲(chǔ)能系統(tǒng)更為關(guān)鍵，它可以減少對(duì)電網(wǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)能源套利，降低用戶成本。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

車載充電機(jī)（AC 充電樁）與電動(dòng)汽車直流充電樁（直流充電樁）

系統(tǒng)描述

■ 功率轉(zhuǎn)換

電動(dòng)汽車直流充電樁由經(jīng)典 AC-DC 和 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換級(jí)組成。直流充電樁的前端含一個(gè)三相功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓級(jí)，可采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（兩電平或三電平）、單向或雙向轉(zhuǎn)換。

了解三電平和三電平 PFC 電路示例， 請(qǐng)參閱 AND90142 - 解讀三相功率因數(shù)校正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。來(lái)自電網(wǎng)的電壓電平 400 V - 480 V（三相） / 110 V - 240 V（單相）被升壓至 500 -1000 V（以及更高電壓）。隨后的 DC-DC 隔離級(jí)將母線電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。輸出電壓與電動(dòng)汽車電池電壓（通常為 400V 或 800V） 相匹配，并需要涵蓋充電電壓分布。因此， DC-DC 輸出范圍可能從 150V 到 1000V 不等。具體的實(shí)現(xiàn)方式可能需要對(duì) 400V 或800V 電平進(jìn)行優(yōu)化。

目前， 電動(dòng)汽車直流充電樁的整體系統(tǒng)效率約為 95%，主要損耗來(lái)自功率轉(zhuǎn)換、 線纜和變壓器。在大功率系統(tǒng)中，即使是 1% 的損耗也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此提高效率一直是充電樁設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)。

■ 直流 Wallbox 充電樁

直流 Wallbox 充電樁被認(rèn)為是安裝在停車場(chǎng)、住宅、辦公室等場(chǎng)所的傳統(tǒng)低功率交流充電樁的替代品。它必須結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本效益高。直流 Wallbox 充電樁的核心價(jià)值在于它定義了充電功率，而不是依賴于車載充電機(jī)（OBC） 。(交流充電樁是一個(gè)包含電表和通信接口的簡(jiǎn)單系統(tǒng)， 不包括大功率轉(zhuǎn)換級(jí)）。隨著直流 Wallbox 充電樁的應(yīng)用，一些制造商考慮在未來(lái)的電動(dòng)汽車中取消 OBC，以降低汽車成本。然而，這也會(huì)為無(wú)法使用交流充電樁帶來(lái)不便。

■ 通信

通信和連接性是電動(dòng)汽車充電樁的核心組成部分， 承擔(dān)著不同的功能：功率級(jí)堆疊模塊之間,有 CAN、 PLC、 RS485， 具體取決于充電樁制造商（OEM） 。在車輛與充電樁之間，用于充電序列的通信通常使用 CAN 或 PLC。為了進(jìn)行支付、服務(wù)管理、維護(hù)、軟件升級(jí)等外部連接，優(yōu)選的通信方法包括 BLE、 Wi-Fi 和 4G/5G。

■ 合規(guī)性和標(biāo)準(zhǔn)

全球范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議定義了直流充電的要求，例如 IEC-61851/SAE1772、 GB/T 標(biāo)準(zhǔn)以及 CHAdeMO、 聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）或特斯拉超級(jí)充電協(xié)議等。 此外， IEC 61000-3-2/4 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電力諧波的限制。

■ 分立器件與功率模塊

影響客戶決策的因素有很多，但對(duì)于大功率產(chǎn)品，尤其是并聯(lián)多個(gè) MOSFET/IGBT 分立器件時(shí)，強(qiáng)烈建議采用模塊解決方案。模塊方案將改善不平衡電流和發(fā)熱引起的長(zhǎng)期性能、開(kāi)關(guān)時(shí)序、布線連接等方面的問(wèn)題。

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