【導讀】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(chē)及其在擁堵道路上安全導航的能力，但開(kāi)發(fā)和部署緊湊、高效的充電基礎設施是此類(lèi)汽車(chē)達到較高普及率的一項重要前提。
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(chē)及其在擁堵道路上安全導航的能力，但開(kāi)發(fā)和部署緊湊、高效的充電基礎設施是此類(lèi)汽車(chē)達到較高普及率的一項重要前提。
在未來(lái)，對電動(dòng)汽車(chē)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。充電樁的相關(guān)計費系統也需要達到一定的復雜程度和安全水平——必須能夠對每輛電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行正確的識別，才能對各種用電情況進(jìn)行正確的計費。
另外一個(gè)重要方面是充電連接裝置的標準化。目前，一些組織（例如，CharIN）不僅致力于對連接裝置，還致力于對電動(dòng)汽車(chē)與充電樁通信時(shí)遵循的通信協(xié)議實(shí)施標準化。
由于電網(wǎng)運營(yíng)商必須設法應對峰值需求，而要實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)的全面部署，需要有大量電力對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。因此，負荷平衡將是一大挑戰。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(mǎn)但僅用于短途行駛的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)革命一開(kāi)始，公路上的電動(dòng)汽車(chē)的數量多于內燃機汽車(chē)。然而，隨著(zhù)電子起動(dòng)器的發(fā)明，內燃機驅動(dòng)型汽車(chē)成為主流，電動(dòng)汽車(chē)則逐漸消失。1972年的石油危機，以及20世紀90年代出現的加州零排放法規等事件，重新點(diǎn)燃了人們對電動(dòng)汽車(chē)的興趣，但歷史表明，電動(dòng)汽車(chē)一直未能進(jìn)入大眾市場(chǎng)。
近年來(lái)，在出現新電池技術(shù)、全球對環(huán)境問(wèn)題高度關(guān)注，以及客戶(hù)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)再次成為一項具有可行性的技術(shù)。
目前，電動(dòng)汽車(chē)（EV）在每次充電后一般能行駛數百千米的里程，因此，讓電動(dòng)汽車(chē)行駛一整天，是具有現實(shí)可能性的。盡管如此，人們對使用電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行長(cháng)途行駛的相關(guān)里程問(wèn)題的擔憂(yōu)，仍然是阻礙客戶(hù)采用新技術(shù)的一個(gè)障礙。同樣，那些沒(méi)有專(zhuān)用充電設施或者甚至無(wú)法確保有持續電力供應的潛在客戶(hù)，仍然希望能確保在可接受的時(shí)間段內對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。
目前，公共區域中安裝的充電樁的輸出功率一般在50千瓦以?xún)?。雖然功率已相當大，但假設電動(dòng)汽車(chē)每100千米的耗電量為25千瓦時(shí)，則要讓電動(dòng)汽車(chē)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(mǎn)，需要充電兩個(gè)多小時(shí)，而許多用戶(hù)認為此充電時(shí)間太長(cháng)。
對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)內完成充電。人們對能夠增加充電里程的大功率電池，以及對縮短充電耗時(shí)的需求，催生了功率高達350千瓦的新一代充電樁。
除了能夠實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行快速充電之外，這些新設計還將促進(jìn)目前正在進(jìn)行的電動(dòng)公交與電動(dòng)貨車(chē)充電技術(shù)的研發(fā)。電動(dòng)公交與電動(dòng)貨車(chē)的電池容量預期需要達到250-400千瓦時(shí)左右，才能在每次充電后確保汽車(chē)行駛合理的里程，而理想的充電耗時(shí)不超過(guò)一小時(shí)。
高功率充電樁的設計包含多項挑戰，尤其是充電系統的效率（因為可供額外冷卻的空間有限）。要達到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挑戰。當電流高達500A時(shí)，功率路徑中的每個(gè)半導體都會(huì )造成系統損耗。對于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(zhù)提高效率，但與MOSFET并聯(lián)運行時(shí)，可減小通道電阻，從而提高效率。因此，碳化硅（SiC）MOSFET是此應用的理想選擇。
設計一種基于子單元（各子單元功率在15到30千瓦之間）并聯(lián)的模塊化充電樁結構，是確保充電樁可根據市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢進(jìn)行升級的關(guān)鍵。未來(lái)的設計目標將是，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(jiàn)的充電樁設計由一個(gè)輸入級（包含線(xiàn)路濾波器）和PFC級、一條直流鏈路，以及一個(gè)基于變壓器的直流-直流轉換器（電隔離）組成，類(lèi)似于圖1所示。
圖1：直流充電樁供電段最基本的結構框圖
這種基本設計存在若干缺陷——例如，由于設計中缺少對直流電壓的控制，因此，方波電流會(huì )對電網(wǎng)造成干擾。然而，在這種簡(jiǎn)單的設計中，組件數量有限，因而成本較低。圖2顯示了一種更高級的、被普遍采用的解決方案。
圖2：直流充電供電級（包括Vienna整流器和串聯(lián)LLC）
在此拓撲中，輸入端的Vienna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)鍵半導體，也就是用650 V器件替換簡(jiǎn)單設計結構中的1200 V器件，從而提高效率。將硬開(kāi)關(guān)設計更改為使用諧振直流-直流轉換器作為輸出級，可進(jìn)一步減小損耗。
當然，效率的提升是有代價(jià)的。安裝的半導體的數量越多，柵極驅動(dòng)器的設計就越復雜，隔離電源的數量就越多——這一點(diǎn)仍然是此設計的一個(gè)缺陷，需要予以考慮。此外，控制算法也有些復雜，導致設計難度提高。
近年來(lái)出現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構的復雜性。圖3顯示了一種使用單個(gè)構件與半橋拓撲的充電樁：
圖3：在半橋拓撲中將碳化硅MOSFET用作構件的供電段
圖3中的藍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。當無(wú)需采用電流隔離時(shí)，半橋可以降壓-升壓模式運行。不同模塊交錯并聯(lián)，以便應對更高的功率水平。
將MOSFET用作有源前端，使得此設計結構可作為PFC級運行，并在本質(zhì)上實(shí)現向電網(wǎng)回饋電能的能力。此方案兼具組件數量少、效率最高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡可能地降低了系統復雜程度。此外，在此方案中，我們可選擇將充電樁整合到“汽車(chē)到電網(wǎng)”（V2G）應用中，或者，整合到“汽車(chē)到住宅”（V2H）應用中。
由于在基于MOSFET的設計結構中，開(kāi)關(guān)頻率較高，因此，輸入濾波器組件的尺寸可縮減，使得設計更緊湊。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(zhù)電動(dòng)汽車(chē)充電市場(chǎng)的發(fā)展，預期未來(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(lèi)型的支持。作為英飛凌的首選經(jīng)銷(xiāo)合作伙伴，并且憑借自身以市場(chǎng)為導向的組織結構、高度專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持，以及派駐現場(chǎng)的應用工程師，EBV已具備相當實(shí)力，為滿(mǎn)足各類(lèi)客戶(hù)的需求提供支持。
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Martin Schulz；Karl Lehnhoff）
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