如果電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施需要排長隊等待數(shù)小時，那么電動汽車就沒有市場。由于公共充電點趨向于增加電力輸送以縮短充電時間，電動汽車正在尋找狂熱的買家。此外，配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施正在迅速擴(kuò)大——到 10 年，全球電動汽車快速充電系統(tǒng)市場可能達(dá)到 82.2031 億美元，16-6 年的復(fù)合年增長率接近 2022.2031%。

有兩種方法可以為電動汽車充電——通過 1 級或 2 級交流車載充電器 （OBC），通常在家中過夜或通過直流快速充電器 （DCFC）。在交流充電中，OBC 將車輛中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但通過直流快速充電，轉(zhuǎn)換發(fā)生在充電站中。DCFC 可以將充電時間縮短到 15 到 45 分鐘之間，從而達(dá)到 80% 的充值。這確實會影響電池壽命，但是，對于長途旅行中具有大型電池組或小型電動汽車的商用車，通常建議使用這種超快速充電。

在 Wolfspeed 的引擎蓋下系列的最后一章中，探討了直流快速充電器、它們的電源特性、架構(gòu)、通信和互操作性。

快速充電器功能

DCFC 提供 3 級 （L3） 的功率，這是充電器標(biāo)準(zhǔn)文章中討論的最高充電器功率水平。2 直流快速充電繞過 OBC 直接為電池充電，并顯著減少為 EV 充電所需的時間。然而，OBC仍然是充電操作的“大腦”，它監(jiān)控并與快速充電器通信電池組充電和系統(tǒng)狀態(tài)，并處理保護(hù)觸發(fā)器。

快速充電器的連接器符合一個或多個標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ幸?guī)范 - CCS，CHAdeMO，GB / T和Tesla2 - 并輸出約200 VDC和高達(dá)900

-1000 VDC 范圍，支持各種車輛，包括混合動力車和電池電動汽車 （BEV）。DCFC 采用三相 400-600 VAC 作為輸入，因此不適用于家庭使用，因為較低電壓的可用單相交流電無法支持目標(biāo) L3 輸出電平。

今天的DCFC大致有兩種類型的實現(xiàn)。

獨立：這些充電器將整個充電器電路和從電網(wǎng)到車輛的功能集成在一個盒子中，輸出 50-250 kW 的直流功率。這些裝置由變電站的中壓 （MV） 線路直接供電。

分體式：充電器分為兩部分，分別是用戶單元和電源以及通信單元，可為車輛提供 175-350 kW 的功率。用戶單元通過 [相對] 低壓 （LV） 直流母線從電源單元供電。分體式充電器允許在動力裝置和變電站的中壓線之間使用大型電流隔離變壓器。其優(yōu)點是噪音更低，用戶單元區(qū)域可用空間更大。

高級體系結(jié)構(gòu)

DCFC 設(shè)計中存在顯著的定制，架構(gòu)可能與充電器品牌一樣多（圖 2）。3 但是，所有的基本架構(gòu)包括三相 PFC、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字控制器，類似于該教程中討論的 OBC 架構(gòu)。4 DCFC的其他典型功能包括保護(hù)機(jī)制，如圖2所示的接地故障檢測、網(wǎng)絡(luò)連接以及各種用戶和機(jī)械功能。

圖 2：獨立直流快速充電站的框圖。資料來源：Signet Systems Inc.3

整體設(shè)計采用模塊化設(shè)計，“電源塊”并聯(lián)，以實現(xiàn)所需的功率水平。每個模塊通常為 100-120 kW，包括 PFC 和隔離式 DC-DC，例如具有交錯式 LLC 電路拓?fù)洹＿@允許選擇性地打開和關(guān)閉模塊，以滿足隨時所需的輸出，從而節(jié)省功耗。

用于三相PFC的常見拓?fù)涫菆D騰柱和維也納（圖3），后者成為最受歡迎的拓?fù)洌驗樗试S三電平開關(guān)，具有三個明顯的優(yōu)勢。首先，只有總輸出電壓的一半施加到電路中使用的開關(guān)上，從而降低了開關(guān)損耗。其次，施加到電感的峰峰值電壓是總輸出電壓的一半，從而減少電流紋波，減小電感并降低成本。第三，較低的峰峰值開關(guān)電壓和電流意味著更低的輻射EMI。總體而言，這意味著更高的效率、更低的組件電壓應(yīng)力和更高的功率密度。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是單向的，通常使用全橋 LLC 諧振拓?fù)洌▓D 3），因為 DCFC 不用于為電網(wǎng)反向供電。LLC電路是交錯的，以獲得更高的每個模塊的功率輸出。例如，單個模塊在 100 V 時可提供 200 kW 和 400 A RMS 的功率，或在 125 V 時提供 800 A RMS 的功率。如圖 2 所示，充電器模塊與電源模塊堆疊在一起，可以實現(xiàn)更高的輸出，例如，350 V 時為 875 kW，RMS 為 400 ARMS，438 V 時為 800 ARMS。

圖 3：典型的電源模塊包括一個三相 PFC（如圖所示的維也納拓?fù)洌┖鸵粋€交錯諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

通信和互操作性

DCFC需要通知中央管理系統(tǒng)（CMS）其狀態(tài)和跟蹤的費用以進(jìn)行客戶計費，并啟用客戶身份驗證和訪問，電網(wǎng)的動態(tài)負(fù)載管理，充電站遠(yuǎn)程控制以及遠(yuǎn)程固件更新。雖然電動汽車和充電站之間的通信是通過IEC 61851協(xié)議處理的，但DCFC使用開放式充電點協(xié)議（OCPP）與CMS通信。

OCPP 由開放充電點聯(lián)盟于 2009 年建立，被來自 40 多家制造商的電動汽車供應(yīng)設(shè)備 （EVSE） 使用。符合 OCPP 標(biāo)準(zhǔn)的充電站可以通過任何可用的有線或無線提供商聯(lián)網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)不可知性允許以最小的中斷和低成本更改/升級DCFC通信骨干網(wǎng)。例如，充電位置通常更喜歡4G和5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而不是更繁瑣的有線網(wǎng)絡(luò)。

這種互操作性迫使充電站制造商和網(wǎng)絡(luò)提供商在價格、功能和服務(wù)以及創(chuàng)新方面展開競爭。

結(jié)論

雖然到9年底，全球每個公共充電點的道路上的電動汽車數(shù)量上升至2.2021輛，但這一比例可能會繼續(xù)增長，使充電運營商值得安裝更多的快速充電器。5 DCFC 架構(gòu)已經(jīng)有各種各樣的，許多型號提供多種連接器選項、與中央管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)通信，以及高達(dá) 350 kW 的輸出，可在幾分鐘內(nèi)完成 80% 的充電充值。

審核編輯：郭婷