近期香港科技大學科學家研發出一種新的氫燃料電池，鉑用量大減80%，這意味這著氫燃料電池成本大幅下降。它引起行業軒然大波！寧德時代總裁周佳和副總裁黃世霖雙雙掛靴辭職，業界猜測鋰電池末日與氫燃料電池未來。寧德時代PR回應是黃世霖先生將在“光儲充檢”新興領域探索業務機會，與寧德時代形成戰略協同。這里一個“充”字，說明新能源車充電技術是電池制造商縱向延伸的戰場。

 

 

充電慢帶來的補能焦慮是制約電動汽車行業發展的一大痛點，高電壓直流充電樁是實現快充的重要路徑。車企近期紛紛推進高壓快充新平臺研發設計，并加速布局高功率充電樁。本文聚焦新能源車快充技術和方案，討論快充的實現途徑。

 

1. 主機廠快充發展迅猛

 

民生證券統計，根據已上市搭載800V架構的車型預測，2022年800V快充車型的銷量約5萬輛，滲透率為3%；到2025年，滲透率將達到30%。東吳證券認為，800V級高電壓方案的實現，將會使充電功率突破400kW，預計會實現充電5分鐘，續航200km-300km，將大幅緩解充電焦慮。2019年，車企開始關注800V高電壓方案，2021-2022年更多車企高端車型采用800V快充，2023-2024年將不斷有新平臺使用800V高電壓。

 

小鵬2022年9月即將上市的G9車型采用了800V SiC(碳化硅)高壓電驅平臺，綜合續航里程可提升5%，充電5分鐘續航可增加200公里。吉利汽車推出的極氪001搭載了800V快充平臺，以開發支撐用戶更長里程需求的電池包，快充時間可以縮短到15分鐘，可大幅減緩用戶焦慮。

 

 

豪華汽車品牌保時捷早在2019年在業內率先推出800V快充量產車型Taycan，最大充電功率可達350KW，5%-80% SOC(State of Charge，即電池的充電狀態，也稱為剩余電量)充電時間約23分鐘。特斯拉曾表示，將在未來開展800V高壓電器架構研究，全面推進超充站建設，并在2年內將超充網絡擴大三倍。數據顯示，近日，特斯拉全球第35000根充電樁在武漢落地，國內已有1200多座超級充電站、8700多根超級充電樁，配合700多座目的地充電站、1800多根目的地充電樁，覆蓋370多個城市及地區。

 

在800V架構下，新能源汽車電機將面臨軸承防腐蝕和增強絕緣性能兩大要求。電機技術路線方面，電機繞組工藝將趨于扁線化，而電機冷卻技術將趨于油冷化。同時，SiC替代方案的推廣，有助于提升效率、降低功耗、縮減體積。

 

2. 快速充電的三個技術挑戰

 

在設計電動汽車直流充電樁時，常常要滿足這些條件：增大輸出功率，縮短充電時間；提高充電站設定尺寸內的功率密度；通過增大負荷并降低功耗來提高效率；降低每瓦電能的設計成本。快速、經濟、安全和可靠是電動汽車充電解決方案必須兼顧的重要考量。因此，設計工程師必須克服功耗和散熱，電池尺寸和充電電流之間的配比平衡，高功率輸出的安全等技術挑戰：

 

功耗和散熱問題。真正的快充應允許電池以高達350kW的功率進行充電。以此來計算，97%的效率就意味著有9kW的功率損耗。在指定的高功率水平下向電動汽車供電，就會產生大量損耗和高溫，因此可能會造成器件的損壞。

 

  

電池尺寸和充電電流之間的配比平衡問題。以寶馬i3汽車為例，自2016年以來，它的電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah電池連續充電，理論上需要一個小時才能充滿。在目前400V的正常電壓下，要在一小時內為100Ah的電池充電，大約需要40kW的充電功率。這還只是大約200公里續航范圍內所需的電量，不能算是真正的快充。如果要進一步縮短充電時間，必須要增大充電電流和其它參數的權衡。

 

高功率輸出的安全問題。綜合充電標準 (CCS) 允許輸出電壓高于500V，因此只有訓練有素的專業人員才能進行操作，并且對統一的充電插頭有很高的材料和技術要求。

 

3. TI電動汽車充電樁案例

 

TI公司提供的參考設計重點在設計電源模塊時的拓撲考慮，這些智能且高效的電源模塊可作為快速直流充電樁設計的組成部分。

 

圖1為直流充電樁的典型框圖。考慮到將轉換器堆放在車內會使車輛變得笨重，因此，這些堆疊式變流器常被放置在車輛外部，成為電動汽車充電樁的組成部分。充電樁通過車載充電器與車輛蓄電池直接連接。直流充電樁是一個L3充電器，可滿足120至240kW范圍內的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內將電池充電至80%的荷電狀態 (SoC) 。為了實現這種高功率水平，TI使用了可堆疊的模塊化電源轉換器。

 

 

圖1：TI直流充電樁拓撲圖

 

圖1說明直流充電樁中的電源模塊由集成在充電樁中的AC/DC電源級和DC/DC電源級組成。每個轉換器與其功率級相關，功率級由功率開關和門驅動器、電流和電壓傳感以及控制器組成。在輸入端，它有三相交流電源，連接到AC/DC功率級。該模塊將輸入的交流電壓轉換為約800 V的固定直流電壓，該電壓用作DC/DC功率級的輸入。此外，驅動功率級MOSFET的柵極驅動器也是功率級的一部分。每個功率級都有一個單獨的控制器，負責處理模擬信號并提供快速控制動作。除此之外，還有不同的溫度傳感模塊、CAN、以太網和RS-485接口，以及為輔助電路供電的隔離和非隔離DC/DC轉換器，如冷卻散熱器的風扇、隔離放大器等。

 

TI參考設計采用多級實現，減少散熱和損耗。AC/DC階段 (也稱為PFC階段) 是電動汽車充電站的第一級功率轉換，它將來自電網的輸入交流電源 (380–415VAC) 轉換為800V左右的穩定直流鏈路電壓。PFC級對于維持正弦輸入電流非常重要，通常THD<5%。憑借簡單的電路拓撲、簡單的調制和控制方案，實現了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC級是電動汽車充電站的第二級功率轉換。它將輸入的800V直流鏈路電壓 (如果是三相系統) 轉換為較低的直流電壓，為電動汽車的蓄電池充電。DC/DC轉換器必須能夠在大范圍內為電池提供額定功率，并能夠在恒定電流和恒定電壓模式下為電池充電，具體取決于電池的荷電狀態 。

 

4.英飛凌超快速直流充電案例

 

如果能量轉換效率達到99%甚至以上的話，降溫就變得相對簡單。英飛凌認為現代化的功率芯片是其中的關鍵，它的高效能碳化硅 (SiC) 模塊，已經在太陽能這個對高效能要求同樣嚴苛的行業占據了一席之地。現在，英飛凌又將這些高效電路應用到了電動汽車領域。高功率充電系統的目標是縮短充電時間，以使電動汽車達到能夠與燃油車相提并論的程度。借助高達350kW的大功率直流充電系統，續航200公里需要充電大約7分鐘，這種高效、快速且易用的充電方式將有助于消除人們的“續航里程焦慮”。采用英飛凌技術的充電樁可將充電時間從原本的三小時縮短到了幾分鐘。

 

采用功率模塊是實現50kW至350kW的直流電動汽車充電器的重要選型策略。基于IGBT的解決方案采用EconoPACK和EconoDUAL，適用于交流-直流轉換，通常在約20 kHz 下運行。CoolSiC Easy（碳化硅模塊）可使交流-直流轉換器級在約40kHz至50kHz下運行。碳化硅模塊也是直流-直流級的首選器件，可提高開關頻率，從而減小整體系統尺寸并實現更高效率。

 

其中，英飛凌EconoDUAL3系列產品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級，以及從100A到900A的完整電流范圍。該模塊通過與最新一代TRENCHSTOP IGBT7技術相結合，使得該1200V產品系列的額定電流值從600A擴展到高達900A。模塊的對稱設計使得并聯運行時IGBT半橋之間的均流得到優化。

 

 

圖2：英飛凌碳化硅模塊組合和應用

 

碳化硅模塊開關頻率增加可導致磁性組件體積和重量顯著減少，最多可減少25%，大大降低了應用成本。經過優化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在達到最低應用損耗和最高運行可靠性方面表現出色。這款碳化硅MOSFET采用TO247 4引腳封裝，可降低柵極電路的寄生源電感影響，從而實現更快速的開關并提升效率。

 

5.相關方案推薦

 

 

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5. 總結

 

直流充電樁需要大功率轉換器，以便在30分鐘內充電到80%的荷電狀態。這些快速充電應用需要模塊化電源轉換器，可以并聯以滿足不同的功率水平，從而實現快速充電。能量密度和系統效率是快速充電樁最重要的參數。通過在高開關頻率下操作轉換器來實現的，這樣可以減小磁性元件的尺寸，從而有助于實現高功率密度。其中涉及的產品和技術包括：嵌入式處理技術，隔離柵極驅動器和完全集成的氮化鎵 (GaN) 電源設備等。GaN技術能夠在多電平功率拓撲中以更高的開關頻率工作，因此能夠比傳統的硅基材料更快、更高效地充電。這意味著工程師可以在電力系統中設計更小的磁鐵，從而降低使用銅和其他原材料的組件的成本。此外，多級拓撲可以更高效，從而降低散熱或冷卻所需的功率。所有這些都有助于降低電動汽車車主的總體擁有成本。

 

來源：我愛方案網  鏈接：https://www.52solution.com/