电动汽车充电类型和常见拓扑

随着全球电气化和脱碳趋势的持续发展，电动汽车（EV）的需求预计也将以10%的复合年增长率（CAGR）增长。到2025年底，预计将有近5000万辆电动汽车上路，这将迫切需要更多的充电桩和更快的电动汽车充电速度。本文将向您介绍电动汽车充电的类型和常见拓扑，以及Wolfspeed提供的相关解决方案。如需深入了解全面深入的知识，请访问Wolfspeed的应用说明：PRD-08367：电动汽车充电功率拓扑设计指南 | Wolfspeed。

电动汽车充电需求不断增长

随着道路上电动汽车数量的增加，对其充电所需的电力需求也在呈指数级增长。据估计，到2030年，这些车辆将需要约230太瓦时（TWh，1 太瓦时 = 10 亿千瓦时）的能量来为这些车辆充电，而目前的需求量为11太瓦时。为了满足如此多的汽车和随之而来的电力需求，将需要近3000万个充电机。虽然大多数充电机将安装在个人住宅中，但还需要安装超过120万个公共充电机，才能为行驶中的电动汽车提供服务。


电动汽车的累计充电机需求

家用充电机通常使用常见的、现成的交流电源。另一方面，公共充电机旨在提供快速可靠的充电体验，就像为传统内燃机（ICE）车辆加油一样。这意味着公共快速充电机需要具有足够的电力传输能力（高达600kW），以便在15分钟内为电动汽车充满电，而这只能通过直流充电来实现。

充电类型

交流充电是典型的家庭中采用常规电源进行充电，该电源以交流电（AC）的形式提供，因此得名。这种充电需要电动汽车中的车载充电机（OBC）将交流电转换为直流电，这是使用交流电为电池充电所必需的做法。 

1 级交流

这是最基本的充电机，从电网接收120-240Vac（13-16A）电源，然后通过充电电缆将其提供给电动汽车。它是最慢的充电机类型，但也是最便携的，几乎可以在任何地方插入充电，大多数型号的额定功率通常最多为1kW。

2 级交流

2 级交流充电机仍然使用现成的120-240Vac电源，主要区别在于它的额定电流更高（32-40A）。这些交流充电机通常永久连接到家庭和公共场所的桩上，它们的额定功率通常高达11-22 kW。

直流充电

要减少电动汽车的充电时间，唯一的方法是采用直流充电。直流充电机绕过电动汽车中的车载充电机，直接向电动汽车的电池供电。

2 级直流充电 / 2+级 / 直流充电盒

对于20-25kW左右的功率级别，常见的解决方案将被称为“2级”直流充电机，尽管没有官方正式的命名说法，这些充电机还是可以在住宅和商业场所找到。

与交流充电相比，其最大的区别是有一个额外的内置电源模块转换器，可以执行从交流到直流的整流（例如“AFE”-有源前端）。然后，该直流电流通过充电电缆馈入汽车为电池充电。根据功率器件的选择，它还可以提供双向充电功能。

3 级直流快速充电（DCFC）/ 快充 / 超级充电机

3 级直流充电机通常又称为直流快速充电机（DCFC）或超级充电机，这种类型充电机的功率水平可以轻松地从50kW到高达1MW之间变化。这些充电机由20、30、50、60kW甚至更高的多个功率块组成，以获得所需的功率水平。根据容量的不同，这些快速充电机可以在20分钟内为典型的电动汽车电池充电。

充电标准

就像我们有不同的充电机级别来区分功率级别一样，充电机所使用的连接器也有不同的标准。

充电机的连接器类型

常见的 AC-DC 拓扑

对于交流／直流功率转换，可以使用单相和三相拓扑。单相拓扑最常见于家庭充电或功率水平低于6.6kW时，而三相拓扑更适合更高功率的充电模块（>11kW）：

• 图腾柱／功率因子校正（PFC）
• NPC / ANPC – 中性点接触PFC／有源中性点PFC
• AFE – 有源前端PFC
• 维也纳整流器
• T型PFC

有关每种拓扑电路、推荐部件和参考设计的知识，请访问Wolfspeed的应用说明：PRD-08367：电动汽车充电功率拓扑设计指南 | Wolfspeed。

常见 DC/DC 功率拓扑

将交流电源转换为400V-800V的典型直流母线电压后，我们现在可以将其转换为电动汽车电池充电所需的电压。下面介绍的各种DC/DC拓扑可以帮助实现这一目标：

DAB - 双有源桥
PSFB – 相移全桥
LLC转换器
CLLC转换器

结语

在不断发展的电动汽车充电领域，人们大力推动更高功率和更高密度的解决方案，以减少与典型内燃机汽车相比的充电停机时间，这仍然是一个普遍的瓶颈。这导致越来越多地采用创新的多级拓扑来满足这些电力需求，要求电池在不运行的高峰需求期间支持电网，并要求拓扑支持双向充电。 

这两项要求进一步强化了对更高效功率半导体开关的需求。Wolfspeed的碳化硅器件非常适合支持这些下一代要求。请访问 Wolfspeed 官方网站，查找开始您自己的电动汽车充电机设计之旅所需的产品、参考设计和设计支持工具。

(a) Wolfspeed®分立器件、(b) 模块和 (c) 60kW LLC参考设计