快速充电：电动汽车采用的关键推动力

本文作者：Avnet Abacus技术总监Martin Keenan

全球汽车制造商通过增加电动汽车（EV）的比例来应对日益严格的排放法规。近年来，全球电动汽车销量激增，2020年的数据表明，电动汽车已开始从传统的内燃机（ICE）车辆中抢占市场份额。

随着越来越多的政府提出未来或禁止销售传统汽车的截止日期，长期预测表明，到2032年，将会有50％的汽车采用电动或混动技术。

电动汽车的增长历来受到许多因素的阻碍，不仅是消费者对其认识不够，同时还有充电里程上的焦虑。

如今，还有一个重点是电动汽车充电基础设施上，基础设施必须得到大力发展以支持电动汽车爆炸式增长。驾驶员此前顺畅的体验来自传统加油站的广泛分布以及更便利的加油方式。充电基础设施必须提供同等的体验。简而言之，电动汽车驾驶员必须在需要时可以轻松访问合适的充电点，并且必须在不延长行驶时间的情况下安全地为车辆充电。

电动汽车充电站可用性

电动汽车的快速发展和创新已导致设计和专有技术的激增，并且随着电动汽车制造商寻求通过充电速度来实现差异化，充电方法也有了长足的发展。

电动汽车电池需要使用来自电网的DC电流充电（图1），充电速度的主要驱动因素是AC / DC转换功能的设计。车载充电器为车辆在可用充电点提供了更大的灵活性，但是出于空间和重量的考虑，它们限制了这些充电器的功率，从而限制了充电速度。

位于公共场所的专用直流充电点包含此转换设备，可以绕过任何车载充电器，并且由于这些充电点的空间和重量限制与车载充电点不同，因此可以设计为更高的充电电流，充电时间更快。

快速充电能力是这些公共充电站的关键要求，并且近年来出现了许多行业驱动的标准。在日本，三菱，日产和其他公司支持CHAdeMO（Charge de Move）标准，而全球最大的电动汽车市场中国已经建立了GB/T标准。在欧洲，宝马，戴姆勒——奔驰，福特和大众汽车集团已合作开发联合充电系统（CCS），而目前的电动汽车市场领导者特斯拉已推出了自己的专有增压方案。

与这些行业标准的发展同时，国际电工委员会（IEC）已指定了许多涵盖EV充电技术各个方面的标准。 IEC 61851描述了四种不同的充电模式（表1），这些模式指定了各种EV充电情况的标准，范围从家用电源点到独立的公共充电站。

表1：IEC 61851-1定义了EV充电的4种模式

其他相关标准包括IEC 62196（涵盖插头，插座，车辆连接器和车辆入口）以及IEC 61980（涉及EV无线功率传输（WPT）系统）。

这些标准使整个行业围绕充电站的设计和部署兴起。根据欧洲数据，欧洲现在有213367个充电站，而2015年为48182个，五年内增长了300％以上。仅在英国，现在就有31320个充电点，相当于每100 Km高速公路有220个充电点，而2015年为每100 Km 29个。随着电动汽车采用率的持续增长，全球充电站市场注定会在未来几年保持健康增长。市场研究公司Markets＆Markets的最新报告预测，从2017年起的五年中，复合年增长率为41.8％，到2023年，总价值将达到304.4亿美元。

充电速度

除充电点可用性外，充电速度也至关重要，尤其是对于公共充电站而言，必须为多个用户提供服务，并且较长的充电周期可能会对行驶时间造成不好的影响。模式4 DC充电站定义了两种充电级别：

快速充电点（功耗：7-22kW）可在大约三到四个小时内将EV电池从零充电至充满。大多数公共充电站都提供此费率。

急速充电（功耗：43-50kW）可在短短30分钟内将电池充电至80％的容量。并非所有的电动汽车都与快速充电兼容，并且尽管主要道路网络上已开始出现50kW和更高功率的充电点以实现旅途中的快速充值，但该级别的可用性受到限制。

表2显示了使用不同功率级别将24 kWh电池充电至80％的理论时间。

表2：24 kWh电池的理论充电时间

实际上，大约80％的电动汽车在家中充电，如果算上在办公场所的话，数字将上升到96％-97％。由于现代电动汽车的续航里程可达300英里，因此快充仅限于较长旅程中的充电。

公共充电站代表了充电开发的“尖端”，其中较高的功率水平对于长距离驾驶员的体验至关重要。

充电站设计

如前所述，模式4的重点是DC充电站要增加功率水平，以减少充电时间。尽管50 kW已成为公共充电站的当前标准，但将充电时间缩短至30分钟以内的压力正推动着功率水平在120至240 kW范围内的充电器的发展。在此级别上，冷却系统，更高的功率密度和整个系统的尺寸是关键优先事项。

充电器的DC / DC转换器的设计基于准谐振转换器（QRC）技术，使用高开关频率来最大程度地减少损耗并提高功率密度。通过使用宽带隙半导体技术（例如碳化硅（SiC）），还可以提高模式4充电器的功率密度。

SiC器件的开关速度比传统的硅等效器件快，从而绕组和电容器更小。 SiC MOSFET的RDS（ON）低，因此开关损耗也非常低，并且击穿电压也比硅高得多，并且可以承受更高的工作温度。总而言之，SiC二极管和MOSFET的特性使开发更紧凑，更高效率和整体性能更高的充电站成为可能。