《實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動(dòng)下一代電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)器件。重點(diǎn)涵蓋兆瓦級(jí)電動(dòng)汽車充電技術(shù)背后的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊 (PIM) 方案如何助力構(gòu)建可擴(kuò)展、 高效且可靠的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。本文為系列內(nèi)容第一部分，將介紹電力消耗趨勢(shì)、電動(dòng)汽車充電架構(gòu)演進(jìn)、兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)架構(gòu)等。

全球電力消耗重新進(jìn)入上升通道

為了滿足交通運(yùn)輸行業(yè)的實(shí)際需求， 州際卡車停靠站和公共車輛充電站均需配備兆瓦級(jí)充電樁。 因此， 無論充電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于高壓還是低壓場(chǎng)景，都必須按照超高電壓環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。

這一要求將直接推動(dòng)全球電力需求進(jìn)一步攀升。 根據(jù)國際能源署的研究數(shù)據(jù)， 在 2009 至 2024 年這 15 年間， 全球電力需求其實(shí)一直處于穩(wěn)步下降態(tài)勢(shì)。 這一趨勢(shì)得益于多方面的技術(shù)進(jìn)步：電子設(shè)備能效持續(xù)提升， 智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)等微電子設(shè)備的工作電壓不斷降低， 電力輸送網(wǎng)絡(luò)的能源損耗也降至歷史最低水平。然而， 在以下三個(gè)因素的共同作用下， 這一趨勢(shì)已發(fā)生逆轉(zhuǎn)， 全球電力消耗重新進(jìn)入上升通道：
? 工業(yè)流程與供熱系統(tǒng)的電氣化： 工廠與商業(yè)建筑為提升能效、 降低排放， 正逐步摒棄化石燃料， 轉(zhuǎn)而采用電力驅(qū)動(dòng)。
? 超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心： 隨著人工智能技術(shù)的普及， 數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載激增， 由此引發(fā)了對(duì)算力和散熱的巨大需求。
? 交通運(yùn)輸?shù)碾姎饣?nbsp;全球電動(dòng)汽車的快速普及， 正推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域加速擺脫對(duì)石油的依賴。

國際能源署 (IEA) 數(shù)據(jù)顯示， 2023 年全球售出的汽車中有近五分之一是電動(dòng)汽車， 其中純電動(dòng)汽車占當(dāng)年電動(dòng)汽車銷量的 70%。

推動(dòng)電動(dòng)汽車充電架構(gòu)演進(jìn)的趨勢(shì)

多重技術(shù)影響與全新能效突破， 共同推動(dòng)了當(dāng)下電動(dòng)汽車的發(fā)展熱潮：
? 鋰離子金屬材料成本下降， 帶動(dòng)鋰離子電池儲(chǔ)能容量大幅提升， 進(jìn)而推動(dòng)了更高電壓、 更快充電速度的電動(dòng)汽車充電樁 (EVC) 研發(fā)進(jìn)程。
? 全球行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的普及， 例如國際電工委員會(huì)制定的充電器標(biāo)準(zhǔn) IEC 61851-1 和汽車工程師協(xié)會(huì)制定的連接器標(biāo)準(zhǔn) SAE J1772， 正推動(dòng)全球充電系統(tǒng)的效率突破 95%。
? 雙向輸電系統(tǒng)可將電動(dòng)汽車的富余電能回饋至電網(wǎng)， 實(shí)現(xiàn)電力和成本的雙重節(jié)約。
? 行業(yè)愈發(fā)聚焦于更高效、 更可靠的兆瓦級(jí)充電技術(shù)。

新型架構(gòu)使電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得以優(yōu)化：將 DC-DC 轉(zhuǎn)換過程拆解為多個(gè)更易管控的階段， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器與前端的解耦， 同時(shí)推動(dòng)電力收集機(jī)制的去中心化。 這帶來顯著成效：一輛純電動(dòng)半掛卡車的 500 kW 電池即便接近電量耗盡， 也能在半小時(shí)內(nèi)充電至 80%。

兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)架構(gòu)

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 構(gòu)想的兆瓦級(jí) EVC 系統(tǒng)依托于一種稱為“多端口”的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)有望整合光伏發(fā)電 (PV)、 儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 和電動(dòng)汽車充電三大功能。 多端口所接入的充電系統(tǒng)自身能夠輸出 10 MW 至 15 MW 的功率， 而每個(gè)多端口支持 1 MW 至 5 MW 的功率。

由于 ORNL 的兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)需滿足半掛卡車等超高電壓充電場(chǎng)景的安全等級(jí)要求，因此在輕型車輛和乘用車等低壓充電場(chǎng)景中使用時(shí)，這種設(shè)計(jì)會(huì)更加安全。

然而，要落地該架構(gòu)，就意味著充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式需要轉(zhuǎn)型：從屋頂充電站這類定制化方案，轉(zhuǎn)向可適配屋頂、洲際卡車停靠站、街角充電站等多元場(chǎng)景的模塊化系統(tǒng)。

資料來源：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

雙有源橋的應(yīng)用前景

根據(jù) ORNL 最初提出的方案， 每個(gè) HD-EV 轉(zhuǎn)換器的額定功率為 1.2 MW。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的充電端口配置可以是單個(gè) 1.2 MW 端口或三個(gè) 400 KW 端口。

在 ORNL 的設(shè)計(jì)構(gòu)想中， DC-DC 轉(zhuǎn)換支架中每個(gè)充電端口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均基于雙有源橋 (DAB) 轉(zhuǎn)換器方案。 ORNL 做出的這一抉擇至關(guān)重要， 原因有以下幾點(diǎn)：
? 通過使用半導(dǎo)體器件， 高效率輸送可靠電力所需的同步電源整流過程可大大簡化。
? 通過在 DC-DC 轉(zhuǎn)換過程中使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)， 每個(gè)轉(zhuǎn)換器的電磁干擾 (EMI) 頻譜更加集中， 且更容易管理。
? 通過使用固定開關(guān)頻率， 系統(tǒng)在低負(fù)載（即僅給輕型車輛充電） 時(shí)的行為更容易處理。

DAB 是一種原生雙向拓?fù)洌?不僅允許多余電流回送至電網(wǎng)， 還支持接入光伏發(fā)電機(jī)以為電力收集過程提供有效補(bǔ)充。

DC-DC 框圖：器件選型方案

未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)電動(dòng)汽車充電樁的電壓等級(jí)分類、超快充電技術(shù)突破、功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)、諧振電源轉(zhuǎn)換級(jí)、打造更快速電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的安森美方案、現(xiàn)代地面交通的演進(jìn)等。