【導讀】《實現(xiàn)電動汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動下一代電動汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與相關(guān)器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術(shù)背后的設(shè)計挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊（PIM）方案如何助力構(gòu)建可擴展、高效且可靠的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。本文為系列內(nèi)容第一部分，將介紹電力消耗趨勢、電動汽車充電架構(gòu)演進、兆瓦級充電系統(tǒng)架構(gòu)等。
（一） 全球電力消耗重新進入上升通道
為了滿足交通運輸行業(yè)的實際需求，州際卡車?？空竞凸曹囕v充電站均需配備兆瓦級充電樁。因此，無論充電系統(tǒng)實際應用于高壓還是低壓場景，都必須按照超高電壓環(huán)境的標準進行設(shè)計，保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。
這一要求將直接推動全球電力需求進一步攀升。根據(jù)國際能源署的研究數(shù)據(jù)，在2009至2024年這15年間，全球電力需求其實一直處于穩(wěn)步下降態(tài)勢。這一趨勢得益于多方面的技術(shù)進步：電子設(shè)備能效持續(xù)提升，智能手機和計算機等微電子設(shè)備的工作電壓不斷降低，電力輸送網(wǎng)絡的能源損耗也降至歷史最低水平。
然而，在以下三個因素的共同作用下，這一趨勢已發(fā)生逆轉(zhuǎn)，全球電力消耗重新進入上升通道：
工業(yè)流程與供熱系統(tǒng)的電氣化：工廠與商業(yè)建筑為提升能效、降低排放，正逐步摒棄化石燃料，轉(zhuǎn)而采用電力驅(qū)動。
超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：隨著人工智能技術(shù)的普及，數(shù)據(jù)中心的工作負載激增，由此引發(fā)了對算力和散熱的巨大需求。
交通運輸?shù)碾姎饣喝螂妱悠嚨目焖倨占?，正推動交通運輸領(lǐng)域加速擺脫對石油的依賴。
國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2023年全球售出的汽車中有近五分之一是電動汽車，其中純電動汽車占當年電動汽車銷量的70%。
（二） 推動電動汽車充電架構(gòu)演進的趨勢
多重技術(shù)影響與全新能效突破，共同推動了當下電動汽車的發(fā)展熱潮：
鋰離子金屬材料成本下降，帶動鋰離子電池儲能容量大幅提升，進而推動了更高電壓、更快充電速度的電動汽車充電樁（EVC）研發(fā)進程。
全球行業(yè)標準的普及，例如國際電工委員會制定的充電器標準IEC 61851-1和汽車工程師協(xié)會制定的連接器標準SAE J1772，正推動全球充電系統(tǒng)的效率突破95%。
雙向輸電系統(tǒng)可將電動汽車的富余電能回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)電力和成本的雙重節(jié)約。
行業(yè)愈發(fā)聚焦于更高效、更可靠的兆瓦級充電技術(shù)。
新型架構(gòu)使電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得以優(yōu)化：將DC-DC轉(zhuǎn)換過程拆解為多個更易管控的階段，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器與前端的解耦，同時推動電力收集機制的去中心化。這帶來顯著成效：一輛純電動半掛卡車的500kW電池即便接近電量耗盡，也能在半小時內(nèi)充電至80%。
（三） 兆瓦級充電系統(tǒng)架構(gòu)
橡樹嶺國家實驗室（ORNL）構(gòu)想的兆瓦級EVC系統(tǒng)依托于一種稱為“多端口”的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有望整合光伏發(fā)電（PV）、儲能系統(tǒng)（ESS）和電動汽車充電三大功能。多端口所接入的充電系統(tǒng)自身能夠輸出10MW至15MW的功率，而每個多端口支持1MW至5MW的功率。
由于ORNL的兆瓦級充電系統(tǒng)需滿足半掛卡車等超高電壓充電場景的安全等級要求，因此在輕型車輛和乘用車等低壓充電場景中使用時，這種設(shè)計會更加安全。
然而，要落地該架構(gòu)，就意味著充電系統(tǒng)設(shè)計模式需要轉(zhuǎn)型：從屋頂充電站這類定制化方案，轉(zhuǎn)向可適配屋頂、洲際卡車停靠站、街角充電站等多元場景的模塊化系統(tǒng)。
資料來源：美國橡樹嶺國家實驗室
（四） 雙有源橋的應用前景
根據(jù)ORNL最初提出的方案，每個HD-EV轉(zhuǎn)換器的額定功率為1.2MW。每個轉(zhuǎn)換器的充電端口配置可以是單個1.2MW端口或三個400kW端口。
在ORNL的設(shè)計構(gòu)想中，DC-DC轉(zhuǎn)換支架中每個充電端口的拓撲結(jié)構(gòu)均基于雙有源橋（DAB）轉(zhuǎn)換器方案。ORNL做出的這一抉擇至關(guān)重要，原因有以下幾點：
通過使用半導體器件，高效率輸送可靠電力所需的同步電源整流過程可大大簡化。
通過在DC-DC轉(zhuǎn)換過程中使用脈沖寬度調(diào)制（PWM），每個轉(zhuǎn)換器的電磁干擾（EMI）頻譜更加集中，且更容易管理。
通過使用固定開關(guān)頻率，系統(tǒng)在低負載（即僅給輕型車輛充電）時的行為更容易處理。
DAB是一種原生雙向拓撲，不僅允許多余電流回送至電網(wǎng)，還支持接入光伏發(fā)電機以為電力收集過程提供有效補充。
DC-DC框圖：器件選型方案
未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)介紹電動汽車充電樁的電壓等級分類、超快充電技術(shù)突破、功率因數(shù)校正（PFC）級、諧振電源轉(zhuǎn)換級、打造更快速電動汽車充電系統(tǒng)的安森美方案、現(xiàn)代地面交通的演進等。
