电动汽车快速充电教程：破解兆瓦级充电的核心技术挑战

摘要：《实现电动汽车快速充电教程》从技术层面深入探讨驱动下一代电动汽车充电系统的架构设计与相关器件。重点涵盖兆瓦级电动汽车充电技术背后的设计挑战与创新、分立式方案和功率集成模块（PIM）方案如何助力构建可扩展、高效且可靠的快速充电基础设施。本文为系列内容第一部分，将介绍电力消耗趋势、电动汽车充电架构演进、兆瓦级充电系统架构等。

1. 全球电力消耗重新进入上升通道

为了满足交通运输行业的实际需求，州际卡车停靠站和公共车辆充电站均需配备兆瓦级充电桩。因此，无论充电系统实际应用于高压还是低压场景，都必须按照超高电压环境的标准进行设计，保障系统的安全性和可靠性。

这一要求将直接推动全球电力需求进一步攀升。根据国际能源署的研究数据，在2009至2024年这15年间，全球电力需求其实一直处于稳步下降态势。这一趋势得益于多方面的技术进步：电子设备能效持续提升，智能手机和计算机等微电子设备的工作电压不断降低，电力输送网络的能源损耗也降至历史最低水平。

然而，在以下三个因素的共同作用下，这一趋势已发生逆转，全球电力消耗重新进入上升通道：

• 工业流程与供热系统的电气化：工厂与商业建筑为提升能效、降低排放，正逐步摒弃化石燃料，转而采用电力驱动。
• 超大规模数据中心：随着人工智能技术的普及，数据中心的工作负载激增，由此引发了对算力和散热的巨大需求。
• 交通运输的电气化：全球电动汽车的快速普及，正推动交通运输领域加速摆脱对石油的依赖。

国际能源署（IEA）数据显示，2023年全球售出的汽车中有近五分之一是电动汽车，其中纯电动汽车占当年电动汽车销量的70%。

1. 推动电动汽车充电架构演进的趋势

多重技术影响与全新能效突破，共同推动了当下电动汽车的发展热潮：

• 锂离子金属材料成本下降，带动锂离子电池储能容量大幅提升，进而推动了更高电压、更快充电速度的电动汽车充电桩（EVC）研发进程。
• 全球行业标准的普及，例如国际电工委员会制定的充电器标准IEC 61851-1和汽车工程师协会制定的连接器标准SAE J1772，正推动全球充电系统的效率突破95%。
• 双向输电系统可将电动汽车的富余电能回馈至电网，实现电力和成本的双重节约。
• 行业愈发聚焦于更高效、更可靠的兆瓦级充电技术。

新型架构使电源转换系统得以优化：将DC-DC转换过程拆解为多个更易管控的阶段，实现转换器与前端的解耦，同时推动电力收集机制的去中心化。这带来显著成效：一辆纯电动半挂卡车的500kW电池即便接近电量耗尽，也能在半小时内充电至80%。

1. 兆瓦级充电系统架构

橡树岭国家实验室（ORNL）构想的兆瓦级EVC系统依托于一种称为“多端口”的电源转换系统。这种系统有望整合光伏发电（PV）、储能系统（ESS）和电动汽车充电三大功能。多端口所接入的充电系统自身能够输出10MW至15MW的功率，而每个多端口支持1MW至5MW的功率。

由于ORNL的兆瓦级充电系统需满足半挂卡车等超高电压充电场景的安全等级要求，因此在轻型车辆和乘用车等低压充电场景中使用时，这种设计会更加安全。

然而，要落地该架构，就意味着充电系统设计模式需要转型：从屋顶充电站这类定制化方案，转向可适配屋顶、洲际卡车停靠站、街角充电站等多元场景的模块化系统。

资料来源：美国橡树岭国家实验室

1. 双有源桥的应用前景

根据ORNL最初提出的方案，每个HD-EV转换器的额定功率为1.2MW。每个转换器的充电端口配置可以是单个1.2MW端口或三个400kW端口。

在ORNL的设计构想中，DC-DC转换支架中每个充电端口的拓扑结构均基于双有源桥（DAB）转换器方案。ORNL做出的这一抉择至关重要，原因有以下几点：

• 通过使用半导体器件，高效率输送可靠电力所需的同步电源整流过程可大大简化。
• 通过在DC-DC转换过程中使用脉冲宽度调制（PWM），每个转换器的电磁干扰（EMI）频谱更加集中，且更容易管理。
• 通过使用固定开关频率，系统在低负载（即仅给轻型车辆充电）时的行为更容易处理。

DAB是一种原生双向拓扑，不仅允许多余电流回送至电网，还支持接入光伏发电机以为电力收集过程提供有效补充。

DC-DC框图：器件选型方案

未完待续，后续推文将陆续介绍电动汽车充电桩的电压等级分类、超快充电技术突破、功率因数校正（PFC）级、谐振电源转换级、打造更快速电动汽车充电系统的安森美方案、现代地面交通的演进等。