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为满足电动汽车日益增长的需求，必须建立更多更快捷的充电基础设施。同时，作为实现低碳目标的关键手段，需要高效设计电动汽车充电器件采用。预计充电模块将朝着更高功率和更高效率的趋势发展。通过采用合适的功率元件、拓扑结构以及坚固耐用的控制器，我们将拥有更多大功率充电站，在解决用户续航焦虑的同时减少碳排放。
本指南介绍了电动汽车直流充电桩设计方法，第一篇将重点介绍系统目标、市场信息与展望、系统描述。
系统目标
电动汽车的普及给消费者和社会都带来了诸多益处。许多国家实施了税收优惠政策，降低了电动汽车购买者的总拥有成本。同时，高度电子化的系统实现了更先进的汽车，提升了用户体验。在环境和社会方面，电动汽车消除了碳排放，有助于各国和企业实现脱碳目标。此外，它还为摆脱对化石燃料的依赖提供了机会。
传统燃油车通常只需 5 分钟加油就能行驶数百公里，作为传统燃油车的替代品，电动汽车一直致力于缩短充电时间，同时达到相近的续航里程。主流的电动汽车充电解决方案是利用更高的充电电压。与具有软电压限制的交流充电相比，直流快充可以在 800V 的电压下工作，因此充电功率更高、电流更小、发热更少、损耗更低。
直流充电桩主要有两种类型。体积较大的是商业快充站使用的三相快充充电桩，其单个充电桩的最大输出功率可达 600 kW。另一种体积较小的充电桩是交流充电桩的替代品，通常被称为直流 Wallbox 充电桩，支持单相/三相交流输入。它的输出功率较小，适合家庭使用，例如 25 kW。
市场信息与展望
不断增长的电动汽车充电桩市场
根据国际能源署（IEA）发布的《2023 年全球电动汽车展望》 ，预计 2023 年全球电动汽车销量将达到约 1400 万辆，比 2022 年增长 35%。为支持不断增长的电动汽车保有量， 2022年全球已安装超过 270 万套公共充电桩，预计到 2030 年将达到 1250 万套。
更高的充电电压和功率
首款采用 800 V 系统电压的电动汽车于几年前发布，当时其他类型的电动汽车的电气系统额定电压在 300 V- 500 V 之间。800V 平台意味着更高的充电电压，从而在相同的功率条件下具有更低的充电电流、更少的布线、更低的功耗和一系列其他优势。它还能实现更高的充电功率。如今，全球已推出或即将推出 20 多款配备 800 V 系统的车型，提供超过350kW 充电功率的快速充电站已广泛普及。
更高的功率密度
大功率充电桩通常集成了多个充电模块。电动汽车直流充电桩本质上是一个包含继电器、仪表、断路器、辅助电源、风扇以及各种其他组件的机柜。虽然电动汽车直流充电桩通常不需要紧凑型设计， 但具有更高功率密度的充电模块可使得单个机柜内能够容纳更多的模块。在有限空间内的这种扩展可以增强输出能力， 同时提供额外的空间来解决散热问题。
碳化硅器件用于电动汽车直流充电桩
碳化硅元件具有明显的优势，如较低的导通电阻 RDS(ON)、高频开关特性、高电压和耐温性，因此已逐渐应用于高性能电动汽车直流充电桩中。与利用并联配置来处理更大的电流相比，使用功率模块可有效提高功率密度、改善系统可靠性并避免寄生效应引起的问题。
新生态系统：储能系统（ESS） 和光伏逆变器系统
直流充电站的扩建给当地电网带来了挑战。潜在的问题包括当大量充电设备同时运行时对电网的影响、低功率因数设备或空载设备对电网造成的谐波污染，以及当地变压器容量的限制。连接光伏逆变器系统和储能系统变得至关重要。光伏逆变器可以与电网分担一部分电力负载，而储能系统更为关键，它可以减少对电网的影响，实现能源套利，降低用户成本。
系统实现
车载充电机（AC 充电桩）与电动汽车直流充电桩（直流充电桩）
系统描述
功率转换
电动汽车直流充电桩由经典 AC-DC 和 DC-DC 功率转换级组成。直流充电桩的前端含一个三相功率因数校正 (PFC) 升压级，可采用多种拓扑结构（两电平或三电平）、单向或双向转换。
了解三电平和三电平 PFC 电路示例， 请参阅 AND90142 - 解读三相功率因数校正拓扑结构。来自电网的电压电平 400 V - 480 V（三相） / 110 V - 240 V（单相）被升压至 500 -1000 V（以及更高电压）。随后的 DC-DC 隔离级将母线电压转换为所需的输出电压。输出电压与电动汽车电池电压（通常为 400V 或 800V） 相匹配，并需要涵盖充电电压分布。因此， DC-DC 输出范围可能从 150V 到 1000V 不等。具体的实现方式可能需要对 400V 或800V 电平进行优化。
目前， 电动汽车直流充电桩的整体系统效率约为 95%，主要损耗来自功率转换、 线缆和变压器。在大功率系统中，即使是 1% 的损耗也会产生大量热量，因此提高效率一直是充电桩设计人员的目标。
直流 Wallbox 充电桩
直流 Wallbox 充电桩被认为是安装在停车场、住宅、办公室等场所的传统低功率交流充电桩的替代品。它必须结构紧凑、重量轻、成本效益高。直流 Wallbox 充电桩的核心价值在于它定义了充电功率，而不是依赖于车载充电机（OBC） 。(交流充电桩是一个包含电表和通信接口的简单系统， 不包括大功率转换级）。随着直流 Wallbox 充电桩的应用，一些制造商考虑在未来的电动汽车中取消 OBC，以降低汽车成本。然而，这也会为无法使用交流充电桩带来不便。
通信
通信和连接性是电动汽车充电桩的核心组成部分， 承担着不同的功能：功率级堆叠模块之间,有 CAN、 PLC、 RS485， 具体取决于充电桩制造商（OEM） 。在车辆与充电桩之间，用于充电序列的通信通常使用 CAN 或 PLC。为了进行支付、服务管理、维护、软件升级等外部连接，优选的通信方法包括 BLE、 Wi-Fi 和 4G/5G。
合规性和标准
全球范围内有多个标准和协议定义了直流充电的要求，例如 IEC-61851/SAE1772、 GB/T 标准以及 CHAdeMO、 联合充电系统（CCS）或特斯拉超级充电协议等。 此外， IEC 61000-3-2/4 标准还规定了电力谐波的限制。
分立器件与功率模块
影响客户决策的因素有很多，但对于大功率产品，尤其是并联多个 MOSFET/IGBT 分立器件时，强烈建议采用模块解决方案。模块方案将改善不平衡电流和发热引起的长期性能、开关时序、布线连接等方面的问题。
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