【導讀】《實現電動汽車快速充電教程》從技術層面深入探討驅動下一代電動汽車充電系統的架構設計與相關器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術背后的設計挑戰與創新、分立式方案和功率集成模塊（PIM）方案如何助力構建可擴展、高效且可靠的快速充電基礎設施。我們已經介紹過兆瓦級充電系統架構、雙有源橋的應用前景等，本文將介紹電動汽車充電樁的電壓等級分類、現代電動汽車充電樁的規格概覽、超快充電技術突破等。
（一） 電動汽車充電樁的電壓等級分類
2023年2月，美國聯邦公路管理局（FHWA）將聯邦政府支持的充電樁類別精簡為三個，并按電壓等級進行細分。針對其中兩類較低電壓充電樁，官方強制要求統一使用SAE J1772（及國際標準IEC62196-1）規定的單一端口連接配置。
下表列出了FHWA和交通部（DoT）目前批準的三類EVC充電樁之間的區別。這里，“PHEV”指插電式混合動力電動汽車，“BEV”指純電動汽車。
需要注意的是，出于安全考慮，高壓充電過程并非像給油箱加油那樣線性地注入電流。當電池電量耗盡或接近耗盡時，現代充電系統會以恒定功率（CP）模式開始充電，以穩定且相對較快的速率輸送電力。當充電量接近80%時，系統會過渡到恒壓（CV）模式，以降低輸電速率，同時避免導致電能質量下降的諧波失真。模式之間的轉換并非瞬時完成。各廠商研發了專門的CP-CV算法，以匹配自家車輛的儲能特性。
（二） 現代電動汽車充電樁的規格概覽
電動汽車充電樁雖按電壓分為三類，但常見的外形尺寸有四種，每種尺寸都與其典型的安裝環境和使用場景相匹配。
壁掛式直流充電盒適配1級充電器，可接入常見的120V單相家用電源。對于這種外形尺寸，自然風冷即可滿足散熱要求。
相反，兆瓦級充電樁必須采用液冷，這給其設計帶來了一些限制。這種充電樁專為三相電源設計，由于電壓極高，必須確保其能夠在-45℃至+55℃的溫度范圍內正常運行。
介于這兩種外形尺寸之間的是面向2級中端市場的充電樁。直流快速充電樁（DCFC）采用三相電源，最高支持350kW的充電功率。超快速充電樁可被視為兆瓦級充電樁的微縮版，不僅依賴液冷散熱，而且保留了兆瓦級充電樁通過模塊化設計實現可擴展性的能力。
（三） 超快充電技術突破
目前生產的大多數電動汽車都配備了車載充電器（OBC）。兆瓦級設計使得充電站內支持高功率車外充電器在理論上變得可行。雖然此類設計正在考慮之中，但就目前而言，電動汽車行業已計劃在所有級別的車輛中配備OBC。
然而，OBC為中小型電動汽車充電的能力相當有限。OBC通常依賴交流充電，最大額定功率為22kW。DC-FC系統將完全繞過OBC，直接向電池提供直流電，額定功率不低于50kW，很可能大于400kW。
這一發展或將推動電動汽車的普及率達到“臨界規模”，從而真正融入日常生活。汽車鋰離子電池的充電時間一般非常長。半小時甚至更短的時間，或許是高速公路旅行者和運輸行業工作者可接受的補能時間。縮短充電時間不僅可以提升電動汽車的普適性，而且在石油燃料逐步退場的背景下，還能緩解充電站的排隊壓力——這也是加油站運營商關注的重點。
資料來源：Yolé Group
（四） 從分立器件到模塊
隨著充電分級逐漸成為行業常態，不同等級之間的一個重要區別性特征將體現在對半導體的使用上。壁掛式充電盒和快速充電器通常采用定制化設計，并主要使用分立半導體器件。超快充電樁、兆瓦級充電樁和一些直流快速充電樁已經轉向功率集成模塊（PIM）。每個PIM通過高密度、高效率的封裝，集成了大功率三相逆變器所需的大多數器件，包括絕緣柵雙極晶體管（IGBT），但不含柵極驅動器。
例如，安森美（onsemi）的NXH011T120M3F2PTHG SiC PIM內置一個11Ω SiC T型中性點箝位轉換器（TNPC）MOSFET。在結溫TJ為25℃時，其額定最大電壓為1200V。在柵源電壓VGS為18V、漏極電流ID為70A的條件下，其典型導通電阻RDS（on）低至11.9mΩ。此外，該模塊集成了一個5kΩ熱敏電阻，并采用直接鍵合銅的高性能襯底（HPS DBC）。它適用于半橋DC/DC轉換器拓撲，并采用F2PIM封裝，便于系統集成。
本教程稍后會闡明其中一些術語的含義。現在只需知道，正是由于將PIM集成到充電樁設計中，充電樁才能在電源轉換技術持續演進的背景下，實現更高程度的可升級性。
未完待續，后續推文將陸續介紹分立組裝與模塊組裝的比較、兆瓦級充電的可行性實現路徑等。
