近期香港科技大学科学家研发出一种新的氢燃料电池，铂用量大减80%，这意味这着氢燃料电池成本大幅下降。它引起行业轩然大波！宁德时代总裁周佳和副总裁黄世霖双双挂靴辞职，业界猜测锂电池末日与氢燃料电池未来。宁德时代PR回应是黄世霖先生将在“光储充检”新兴领域探索业务机会，与宁德时代形成战略协同。这里一个“充”字，说明新能源车充电技术是电池制造商纵向延伸的战场。
充电慢带来的补能焦虑是制约电动汽车行业发展的一大痛点，高电压直流充电桩是实现快充的重要路径。车企近期纷纷推进高压快充新平台研发设计，并加速布局高功率充电桩。本文聚焦新能源车快充技术和方案，讨论快充的实现途径。
1. 主机厂快充发展迅猛
民生证券统计，根据已上市搭载800V架构的车型预测，2022年800V快充车型的销量约5万辆，渗透率为3%；到2025年，渗透率将达到30%。东吴证券认为，800V级高电压方案的实现，将会使充电功率突破400kW，预计会实现充电5分钟，续航200km-300km，将大幅缓解充电焦虑。2019年，车企开始关注800V高电压方案，2021-2022年更多车企高端车型采用800V快充，2023-2024年将不断有新平台使用800V高电压。
小鹏2022年9月即将上市的G9车型采用了800V SiC(碳化硅)高压电驱平台，综合续航里程可提升5%，充电5分钟续航可增加200公里。吉利汽车推出的极氪001搭载了800V快充平台，以开发支撑用户更长里程需求的电池包，快充时间可以缩短到15分钟，可大幅减缓用户焦虑。
豪华汽车品牌保时捷早在2019年在业内率先推出800V快充量产车型Taycan，最大充电功率可达350KW，5%-80% SOC(State of Charge，即电池的充电状态，也称为剩余电量)充电时间约23分钟。特斯拉曾表示，将在未来开展800V高压电器架构研究，全面推进超充站建设，并在2年内将超充网络扩大三倍。数据显示，近日，特斯拉全球第35000根充电桩在武汉落地，国内已有1200多座超级充电站、8700多根超级充电桩，配合700多座目的地充电站、1800多根目的地充电桩，覆盖370多个城市及地区。
在800V架构下，新能源汽车电机将面临轴承防腐蚀和增强绝缘性能两大要求。电机技术路线方面，电机绕组工艺将趋于扁线化，而电机冷却技术将趋于油冷化。同时，SiC替代方案的推广，有助于提升效率、降低功耗、缩减体积。
2. 快速充电的三个技术挑战
在设计电动汽车直流充电桩时，常常要满足这些条件：增大输出功率，缩短充电时间；提高充电站设定尺寸内的功率密度；通过增大负荷并降低功耗来提高效率；降低每瓦电能的设计成本。快速、经济、安全和可靠是电动汽车充电解决方案必须兼顾的重要考量。因此，设计工程师必须克服功耗和散热，电池尺寸和充电电流之间的配比平衡，高功率输出的安全等技术挑战：
功耗和散热问题。真正的快充应允许电池以高达350kW的功率进行充电。以此来计算，97%的效率就意味着有9kW的功率损耗。在指定的高功率水平下向电动汽车供电，就会产生大量损耗和高温，因此可能会造成器件的损坏。
电池尺寸和充电电流之间的配比平衡问题。以宝马i3汽车为例，自2016年以来，它的电池容量为95Ah。如果以100A的电流为100Ah电池连续充电，理论上需要一个小时才能充满。在目前400V的正常电压下，要在一小时内为100Ah的电池充电，大约需要40kW的充电功率。这还只是大约200公里续航范围内所需的电量，不能算是真正的快充。如果要进一步缩短充电时间，必须要增大充电电流和其它参数的权衡。
高功率输出的安全问题。综合充电标准 (CCS) 允许输出电压高于500V，因此只有训练有素的专业人员才能进行操作，并且对统一的充电插头有很高的材料和技术要求。
3. TI电动汽车充电桩案例
TI公司提供的参考设计重点在设计电源模块时的拓扑考虑，这些智能且高效的电源模块可作为快速直流充电桩设计的组成部分。
图1为直流充电桩的典型框图。考虑到将转换器堆放在车内会使车辆变得笨重，因此，这些堆叠式变流器常被放置在车辆外部，成为电动汽车充电桩的组成部分。充电桩通过车载充电器与车辆蓄电池直接连接。直流充电桩是一个L3充电器，可满足120至240kW范围内的极高功率。L3充电器通常在30分钟内将电池充电至80%的荷电状态 (SoC) 。为了实现这种高功率水平，TI使用了可堆叠的模块化电源转换器。
图1：TI直流充电桩拓扑图
图1说明直流充电桩中的电源模块由集成在充电桩中的AC/DC电源级和DC/DC电源级组成。每个转换器与其功率级相关，功率级由功率开关和门驱动器、电流和电压传感以及控制器组成。在输入端，它有三相交流电源，连接到AC/DC功率级。该模块将输入的交流电压转换为约800 V的固定直流电压，该电压用作DC/DC功率级的输入。此外，驱动功率级MOSFET的栅极驱动器也是功率级的一部分。每个功率级都有一个单独的控制器，负责处理模拟信号并提供快速控制动作。除此之外，还有不同的温度传感模块、CAN、以太网和RS-485接口，以及为辅助电路供电的隔离和非隔离DC/DC转换器，如冷却散热器的风扇、隔离放大器等。
TI参考设计采用多级实现，减少散热和损耗。AC/DC阶段 (也称为PFC阶段) 是电动汽车充电站的第一级功率转换，它将来自电网的输入交流电源 (380–415VAC) 转换为800V左右的稳定直流链路电压。PFC级对于维持正弦输入电流非常重要，通常THD<5%。凭借简单的电路拓扑、简单的调制和控制方案，实现了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC级是电动汽车充电站的第二级功率转换。它将输入的800V直流链路电压 (如果是三相系统) 转换为较低的直流电压，为电动汽车的蓄电池充电。DC/DC转换器必须能够在大范围内为电池提供额定功率，并能够在恒定电流和恒定电压模式下为电池充电，具体取决于电池的荷电状态 。
4.英飞凌超快速直流充电案例
如果能量转换效率达到99%甚至以上的话，降温就变得相对简单。英飞凌认为现代化的功率芯片是其中的关键，它的高效能碳化硅 (SiC) 模块，已经在太阳能这个对高效能要求同样严苛的行业占据了一席之地。现在，英飞凌又将这些高效电路应用到了电动汽车领域。高功率充电系统的目标是缩短充电时间，以使电动汽车达到能够与燃油车相提并论的程度。借助高达350kW的大功率直流充电系统，续航200公里需要充电大约7分钟，这种高效、快速且易用的充电方式将有助于消除人们的“续航里程焦虑”。采用英飞凌技术的充电桩可将充电时间从原本的三小时缩短到了几分钟。
采用功率模块是实现50kW至350kW的直流电动汽车充电器的重要选型策略。基于IGBT的解决方案采用EconoPACK和EconoDUAL，适用于交流-直流转换，通常在约20 kHz 下运行。CoolSiC Easy（碳化硅模块）可使交流-直流转换器级在约40kHz至50kHz下运行。碳化硅模块也是直流-直流级的首选器件，可提高开关频率，从而减小整体系统尺寸并实现更高效率。
其中，英飞凌EconoDUAL3系列产品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V电压等级，以及从100A到900A的完整电流范围。该模块通过与最新一代TRENCHSTOP IGBT7技术相结合，使得该1200V产品系列的额定电流值从600A扩展到高达900A。模块的对称设计使得并联运行时IGBT半桥之间的均流得到优化。
图2：英飞凌碳化硅模块组合和应用
碳化硅模块开关频率增加可导致磁性组件体积和重量显著减少，最多可减少25%，大大降低了应用成本。经过优化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在达到最低应用损耗和最高运行可靠性方面表现出色。这款碳化硅MOSFET采用TO247 4引脚封装，可降低栅极电路的寄生源电感影响，从而实现更快速的开关并提升效率。
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5. 总结
直流充电桩需要大功率转换器，以便在30分钟内充电到80%的荷电状态。这些快速充电应用需要模块化电源转换器，可以并联以满足不同的功率水平，从而实现快速充电。能量密度和系统效率是快速充电桩最重要的参数。通过在高开关频率下操作转换器来实现的，这样可以减小磁性元件的尺寸，从而有助于实现高功率密度。其中涉及的产品和技术包括：嵌入式处理技术，隔离栅极驱动器和完全集成的氮化镓 (GaN) 电源设备等。GaN技术能够在多电平功率拓扑中以更高的开关频率工作，因此能够比传统的硅基材料更快、更高效地充电。这意味着工程师可以在电力系统中设计更小的磁铁，从而降低使用铜和其他原材料的组件的成本。此外，多级拓扑可以更高效，从而降低散热或冷却所需的功率。所有这些都有助于降低电动汽车车主的总体拥有成本。
来源：我爱方案网 链接：https://www.52solution.com/
