爆火的電動汽車直流充電樁設計指南，就在這里了

為滿足電動汽車日益增長的需求，必須建立更多更快捷的充電基礎設施。同時，作為實現(xiàn)低碳目標的關鍵手段，需要高效設計電動汽車充電器件采用。預計充電模塊將朝著更高功率和更高效率的趨勢發(fā)展。通過采用合適的功率元件、拓撲結構以及堅固耐用的控制器，我們將擁有更多大功率充電站，在解決用戶續(xù)航焦慮的同時減少碳排放。本指南介紹了電動汽車直流充電樁設計方法，第一篇將重點介紹系統(tǒng)目標、市場信息與展望、系統(tǒng)描述。

系統(tǒng)目標

電動汽車的普及給消費者和社會都帶來了諸多益處。許多國家實施了稅收優(yōu)惠政策，降低了電動汽車購買者的總擁有成本。同時，高度電子化的系統(tǒng)實現(xiàn)了更先進的汽車，提升了用戶體驗。在環(huán)境和社會方面，電動汽車消除了碳排放，有助于各國和企業(yè)實現(xiàn)脫碳目標。此外，它還為擺脫對化石燃料的依賴提供了機會。

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，電動汽車一直致力于縮短充電時間，同時達到相近的續(xù)航里程。主流的電動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，其單個充電樁的最大輸出功率可達 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。

市場信息與展望

■ 不斷增長的電動汽車充電樁市場
根據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的《2023 年全球電動汽車展望》 ，預計 2023 年全球電動汽車銷量將達到約 1400 萬輛，比 2022 年增長 35%。為支持不斷增長的電動汽車保有量， 2022年全球已安裝超過 270 萬套公共充電樁，預計到 2030 年將達到 1250 萬套。

■ 更高的充電電壓和功率

首款采用 800 V 系統(tǒng)電壓的電動汽車于幾年前發(fā)布，當時其他類型的電動汽車的電氣系統(tǒng)額定電壓在 300 V- 500 V 之間。800V 平臺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。它還能實現(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充電模塊。電動汽車直流充電樁本質上是一個包含繼電器、儀表、斷路器、輔助電源、風扇以及各種其他組件的機柜。雖然電動汽車直流充電樁通常不需要緊湊型設計， 但具有更高功率密度的充電模塊可使得單個機柜內能夠容納更多的模塊。在有限空間內的這種擴展可以增強輸出能力， 同時提供額外的空間來解決散熱問題。

■ 碳化硅器件用于電動汽車直流充電樁

碳化硅元件具有明顯的優(yōu)勢，如較低的導通電阻 RDS(ON)、高頻開關特性、高電壓和耐溫性，因此已逐漸應用于高性能電動汽車直流充電樁中。與利用并聯(lián)配置來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引起的問題。

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

直流充電站的擴建給當?shù)仉娋W(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)。潛在的問題包括當大量充電設備同時運行時對電網(wǎng)的影響、低功率因數(shù)設備或空載設備對電網(wǎng)造成的諧波污染，以及當?shù)刈儔浩魅萘康南拗?。連接光伏逆變器系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)變得至關重要。光伏逆變器可以與電網(wǎng)分擔一部分電力負載，而儲能系統(tǒng)更為關鍵，它可以減少對電網(wǎng)的影響，實現(xiàn)能源套利，降低用戶成本。

系統(tǒng)實現(xiàn)

車載充電機（AC 充電樁）與電動汽車直流充電樁（直流充電樁）

系統(tǒng)描述

■ 功率轉換

電動汽車直流充電樁由經(jīng)典 AC-DC 和 DC-DC 功率轉換級組成。直流充電樁的前端含一個三相功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓級，可采用多種拓撲結構（兩電平或三電平）、單向或雙向轉換。

了解三電平和三電平 PFC 電路示例， 請參閱 AND90142 - 解讀三相功率因數(shù)校正拓撲結構。來自電網(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 隔離級將母線電壓轉換為所需的輸出電壓。輸出電壓與電動汽車電池電壓（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。具體的實現(xiàn)方式可能需要對 400V 或800V 電平進行優(yōu)化。

目前， 電動汽車直流充電樁的整體系統(tǒng)效率約為 95%，主要損耗來自功率轉換、 線纜和變壓器。在大功率系統(tǒng)中，即使是 1% 的損耗也會產生大量熱量，因此提高效率一直是充電樁設計人員的目標。

■ 直流 Wallbox 充電樁

直流 Wallbox 充電樁被認為是安裝在停車場、住宅、辦公室等場所的傳統(tǒng)低功率交流充電樁的替代品。它必須結構緊湊、重量輕、成本效益高。直流 Wallbox 充電樁的核心價值在于它定義了充電功率，而不是依賴于車載充電機（OBC） 。(交流充電樁是一個包含電表和通信接口的簡單系統(tǒng)， 不包括大功率轉換級）。隨著直流 Wallbox 充電樁的應用，一些制造商考慮在未來的電動汽車中取消 OBC，以降低汽車成本。然而，這也會為無法使用交流充電樁帶來不便。

■ 通信

通信和連接性是電動汽車充電樁的核心組成部分， 承擔著不同的功能：功率級堆疊模塊之間,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。為了進行支付、服務管理、維護、軟件升級等外部連接，優(yōu)選的通信方法包括 BLE、 Wi-Fi 和 4G/5G。

■ 合規(guī)性和標準

全球范圍內有多個標準和協(xié)議定義了直流充電的要求，例如 IEC-61851/SAE1772、 GB/T 標準以及 CHAdeMO、 聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）或特斯拉超級充電協(xié)議等。 此外， IEC 61000-3-2/4 標準還規(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，但對于大功率產品，尤其是并聯(lián)多個 MOSFET/IGBT 分立器件時，強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)熱引起的長期性能、開關時序、布線連接等方面的問題。

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