【導(dǎo)讀】盡管有關(guān)電動(dòng)交通的大部分討論一直圍繞于無(wú)人駕駛汽車及其在擁堵道路上安全導(dǎo)航的能力，但開發(fā)和部署緊湊、高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施是此類汽車達(dá)到較高普及率的一項(xiàng)重要前提。
盡管有關(guān)電動(dòng)交通的大部分討論一直圍繞于無(wú)人駕駛汽車及其在擁堵道路上安全導(dǎo)航的能力，但開發(fā)和部署緊湊、高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施是此類汽車達(dá)到較高普及率的一項(xiàng)重要前提。
在未來(lái)，對(duì)電動(dòng)汽車充電樁存在需求的將不僅包括大都會(huì)及周邊公路，還包括居民區(qū)。充電樁的相關(guān)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)也需要達(dá)到一定的復(fù)雜程度和安全水平——必須能夠?qū)γ枯v電動(dòng)汽車進(jìn)行正確的識(shí)別，才能對(duì)各種用電情況進(jìn)行正確的計(jì)費(fèi)。
另外一個(gè)重要方面是充電連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，一些組織（例如，CharIN）不僅致力于對(duì)連接裝置，還致力于對(duì)電動(dòng)汽車與充電樁通信時(shí)遵循的通信協(xié)議實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。
由于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須設(shè)法應(yīng)對(duì)峰值需求，而要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的全面部署，需要有大量電力對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。因此，負(fù)荷平衡將是一大挑戰(zhàn)。然而，解決方案就隱藏于問(wèn)題本身。在電力需求峰值期間，可將一些電池已充滿但僅用于短途行駛的電動(dòng)汽車的多余電能饋入電網(wǎng)中（前提是保留下班回家所需的足夠電能）。
在汽車革命一開始，公路上的電動(dòng)汽車的數(shù)量多于內(nèi)燃機(jī)汽車。然而，隨著電子起動(dòng)器的發(fā)明，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)型汽車成為主流，電動(dòng)汽車則逐漸消失。1972年的石油危機(jī)，以及20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的加州零排放法規(guī)等事件，重新點(diǎn)燃了人們對(duì)電動(dòng)汽車的興趣，但歷史表明，電動(dòng)汽車一直未能進(jìn)入大眾市場(chǎng)。
近年來(lái)，在出現(xiàn)新電池技術(shù)、全球?qū)Νh(huán)境問(wèn)題高度關(guān)注，以及客戶需要替代化石燃料的清潔能源的背景下，電動(dòng)交通技術(shù)再次成為一項(xiàng)具有可行性的技術(shù)。
目前，電動(dòng)汽車（EV）在每次充電后一般能行駛數(shù)百千米的里程，因此，讓電動(dòng)汽車行駛一整天，是具有現(xiàn)實(shí)可能性的。盡管如此，人們對(duì)使用電動(dòng)汽車進(jìn)行長(zhǎng)途行駛的相關(guān)里程問(wèn)題的擔(dān)憂，仍然是阻礙客戶采用新技術(shù)的一個(gè)障礙。同樣，那些沒(méi)有專用充電設(shè)施或者甚至無(wú)法確保有持續(xù)電力供應(yīng)的潛在客戶，仍然希望能確保在可接受的時(shí)間段內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。
目前，公共區(qū)域中安裝的充電樁的輸出功率一般在50千瓦以內(nèi)。雖然功率已相當(dāng)大，但假設(shè)電動(dòng)汽車每100千米的耗電量為25千瓦時(shí)，則要讓電動(dòng)汽車再行駛100千米，需要充電半小時(shí)。同樣，將100千瓦時(shí)的電池充滿，需要充電兩個(gè)多小時(shí)，而許多用戶認(rèn)為此充電時(shí)間太長(zhǎng)。
對(duì)于高速公路上的充電樁，人們希望它們能在幾分鐘而非幾小時(shí)內(nèi)完成充電。人們對(duì)能夠增加充電里程的大功率電池，以及對(duì)縮短充電耗時(shí)的需求，催生了功率高達(dá)350千瓦的新一代充電樁。
除了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行快速充電之外，這些新設(shè)計(jì)還將促進(jìn)目前正在進(jìn)行的電動(dòng)公交與電動(dòng)貨車充電技術(shù)的研發(fā)。電動(dòng)公交與電動(dòng)貨車的電池容量預(yù)期需要達(dá)到250-400千瓦時(shí)左右，才能在每次充電后確保汽車行駛合理的里程，而理想的充電耗時(shí)不超過(guò)一小時(shí)。
高功率充電樁的設(shè)計(jì)包含多項(xiàng)挑戰(zhàn)，尤其是充電系統(tǒng)的效率（因?yàn)榭晒╊~外冷卻的空間有限）。要達(dá)到350千瓦的輸出功率和97%的效率，會(huì)產(chǎn)生約10千瓦的損耗，這使得熱管理成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。當(dāng)電流高達(dá)500A時(shí)，功率路徑中的每個(gè)半導(dǎo)體都會(huì)造成系統(tǒng)損耗。對(duì)于IGBT等雙極器件，其正向電壓決定了靜態(tài)損耗，而MOSFET等單極器件的損耗則主要由通道電阻決定。
考慮到電流較大，不同器件通常并聯(lián)使用，以提高其容量。IGBT無(wú)法顯著提高效率，但與MOSFET并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可減小通道電阻，從而提高效率。因此，碳化硅（SiC）MOSFET是此應(yīng)用的理想選擇。
設(shè)計(jì)一種基于子單元（各子單元功率在15到30千瓦之間）并聯(lián)的模塊化充電樁結(jié)構(gòu)，是確保充電樁可根據(jù)市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行升級(jí)的關(guān)鍵。未來(lái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)將是，在不增大尺寸的前提下，將子單元功率提高到60千瓦左右，從而將目前的功率密度提高到兩倍以上。
常見的充電樁設(shè)計(jì)由一個(gè)輸入級(jí)（包含線路濾波器）和PFC級(jí)、一條直流鏈路，以及一個(gè)基于變壓器的直流-直流轉(zhuǎn)換器（電隔離）組成，類似于圖1所示。
圖1：直流充電樁供電段最基本的結(jié)構(gòu)框圖
這種基本設(shè)計(jì)存在若干缺陷——例如，由于設(shè)計(jì)中缺少對(duì)直流電壓的控制，因此，方波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾。然而，在這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，組件數(shù)量有限，因而成本較低。圖2顯示了一種更高級(jí)的、被普遍采用的解決方案。
圖2：直流充電供電級(jí)（包括Vienna整流器和串聯(lián)LLC）
在此拓?fù)渲校斎攵说腣ienna整流器引入正弦柵極電流，并控制升壓模式的直流鏈路電壓。此外，可選擇閉鎖電壓較低的關(guān)鍵半導(dǎo)體，也就是用650 V器件替換簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的1200 V器件，從而提高效率。將硬開關(guān)設(shè)計(jì)更改為使用諧振直流-直流轉(zhuǎn)換器作為輸出級(jí)，可進(jìn)一步減小損耗。
當(dāng)然，效率的提升是有代價(jià)的。安裝的半導(dǎo)體的數(shù)量越多，柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，隔離電源的數(shù)量就越多——這一點(diǎn)仍然是此設(shè)計(jì)的一個(gè)缺陷，需要予以考慮。此外，控制算法也有些復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度提高。
近年來(lái)出現(xiàn)了基于寬帶隙材料的高壓MOSFET，讓我們可在不犧牲效率的前提下降低充電樁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。圖3顯示了一種使用單個(gè)構(gòu)件與半橋拓?fù)涞某潆姌叮?/p>
圖3：在半橋拓?fù)渲袑⑻蓟鐼OSFET用作構(gòu)件的供電段
圖3中的藍(lán)色陰影方框代表英飛凌的FF11MR12W1M1_B11——一種Easy1B功率模塊，包含1200 V碳化硅MOSFET并采用半橋配置，通道電阻（25°C）低至11毫歐。當(dāng)無(wú)需采用電流隔離時(shí)，半橋可以降壓-升壓模式運(yùn)行。不同模塊交錯(cuò)并聯(lián)，以便應(yīng)對(duì)更高的功率水平。
將MOSFET用作有源前端，使得此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可作為PFC級(jí)運(yùn)行，并在本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)回饋電能的能力。此方案兼具組件數(shù)量少、效率最高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡可能地降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。此外，在此方案中，我們可選擇將充電樁整合到“汽車到電網(wǎng)”（V2G）應(yīng)用中，或者，整合到“汽車到住宅”（V2H）應(yīng)用中。
由于在基于MOSFET的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，開關(guān)頻率較高，因此，輸入濾波器組件的尺寸可縮減，使得設(shè)計(jì)更緊湊。同步整流等技術(shù)可減少損耗，從而減少熱管理任務(wù)。
隨著電動(dòng)汽車充電市場(chǎng)的發(fā)展，預(yù)期未來(lái)將有許多來(lái)自不同背景的新參與者進(jìn)入該市場(chǎng)，并且這些新參與者都將需要獲得不同水平和類型的支持。作為英飛凌的首選經(jīng)銷合作伙伴，并且憑借自身以市場(chǎng)為導(dǎo)向的組織結(jié)構(gòu)、高度專業(yè)的技術(shù)支持，以及派駐現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用工程師，EBV已具備相當(dāng)實(shí)力，為滿足各類客戶的需求提供支持。
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Martin Schulz；Karl Lehnhoff）
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