如果電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施需要排長(zhǎng)隊(duì)等待數(shù)小時(shí)，那么電動(dòng)汽車就沒(méi)有市場(chǎng)。由于公共充電點(diǎn)趨向于增加電力輸送以縮短充電時(shí)間，電動(dòng)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(dòng)汽車快速充電系統(tǒng)市場(chǎng)可能達(dá)到 82.2031 億美元，16-6 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率接近 2022.2031%。

有兩種方法可以為電動(dòng)汽車充電——通過(guò) 1 級(jí)或 2 級(jí)交流車載充電器 （OBC），通常在家中過(guò)夜或通過(guò)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(guò)直流快速充電，轉(zhuǎn)換發(fā)生在充電站中。DCFC 可以將充電時(shí)間縮短到 15 到 45 分鐘之間，從而達(dá)到 80% 的充值。這確實(shí)會(huì)影響電池壽命，但是，對(duì)于長(zhǎng)途旅行中具有大型電池組或小型電動(dòng)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(jí) （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(guò) OBC 直接為電池充電，并顯著減少為 EV 充電所需的時(shí)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(gè)或多個(gè)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(dòng)力車和電池電動(dòng)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?yàn)檩^低電壓的可用單相交流電無(wú)法支持目標(biāo) L3 輸出電平。

今天的DCFC大致有兩種類型的實(shí)現(xiàn)。

獨(dú)立：這些充電器將整個(gè)充電器電路和從電網(wǎng)到車輛的功能集成在一個(gè)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(guò) [相對(duì)] 低壓 （LV） 直流母線從電源單元供電。分體式充電器允許在動(dòng)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(diǎn)是噪音更低，用戶單元區(qū)域可用空間更大。

高級(jí)體系結(jié)構(gòu)

DCFC 設(shè)計(jì)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(cè)、網(wǎng)絡(luò)連接以及各種用戶和機(jī)械功能。

圖 2：獨(dú)立直流快速充電站的框圖。資料來(lái)源：Signet Systems Inc.3

整體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，“電源塊”并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的功率水平。每個(gè)模塊通常為 100-120 kW，包括 PFC 和隔離式 DC-DC，例如具有交錯(cuò)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(shí)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)?，因?yàn)樗试S三電平開關(guān)，具有三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。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?？傮w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?yàn)?DCFC 不用于為電網(wǎng)反向供電。LLC電路是交錯(cuò)的，以獲得更高的每個(gè)模塊的功率輸出。例如，單個(gè)模塊在 100 V 時(shí)可提供 200 kW 和 400 A RMS 的功率，或在 125 V 時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的輸出，例如，350 V 時(shí)為 875 kW，RMS 為 400 ARMS，438 V 時(shí)為 800 ARMS。

圖 3：典型的電源模塊包括一個(gè)三相 PFC（如圖所示的維也納拓?fù)洌┖鸵粋€(gè)交錯(cuò)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(fèi)用以進(jìn)行客戶計(jì)費(fèi)，并啟用客戶身份驗(yàn)證和訪問(wèn)，電網(wǎng)的動(dòng)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(dòng)汽車和充電站之間的通信是通過(guò)IEC 61851協(xié)議處理的，但DCFC使用開放式充電點(diǎn)協(xié)議（OCPP）與CMS通信。

OCPP 由開放充電點(diǎn)聯(lián)盟于 2009 年建立，被來(lái)自 40 多家制造商的電動(dòng)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(guò)任何可用的有線或無(wú)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(jí)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(jià)格、功能和服務(wù)以及創(chuàng)新方面展開競(jìng)爭(zhēng)。

結(jié)論

雖然到9年底，全球每個(gè)公共充電點(diǎn)的道路上的電動(dòng)汽車數(shù)量上升至2.2021輛，但這一比例可能會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，使充電運(yùn)營(yíng)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(hào)提供多種連接器選項(xiàng)、與中央管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)無(wú)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