隨著全球電氣化和脫碳趨勢的持續發展，電動汽車（EV）的需求預計也將以10%的復合年增長率（CAGR）增長。到2025年底，預計將有近5000萬輛電動汽車上路，這將迫切需要更多的充電樁和更快的電動汽車充電速度。本文將向您介紹電動汽車充電的類型和常見拓撲，以及Wolfspeed提供的相關解決方案。如需深入了解全面深入的知識，請訪問Wolfspeed的應用說明：PRD-08367：電動汽車充電功率拓撲設計指南 | Wolfspeed。
電動汽車充電需求不斷增長
隨著道路上電動汽車數量的增加，對其充電所需的電力需求也在呈指數級增長。據估計，到2030年，這些車輛將需要約230太瓦時（TWh，1 太瓦時 = 10 億千瓦時）的能量來為這些車輛充電，而目前的需求量為11太瓦時。為了滿足如此多的汽車和隨之而來的電力需求，將需要近3000萬個充電機。雖然大多數充電機將安裝在個人住宅中，但還需要安裝超過120萬個公共充電機，才能為行駛中的電動汽車提供服務。
電動汽車的累計充電機需求
家用充電機通常使用常見的、現成的交流電源。另一方面，公共充電機旨在提供快速可靠的充電體驗，就像為傳統內燃機（ICE）車輛加油一樣。這意味著公共快速充電機需要具有足夠的電力傳輸能力（高達600kW），以便在15分鐘內為電動汽車充滿電，而這只能通過直流充電來實現。
充電類型
交流充電是典型的家庭中采用常規電源進行充電，該電源以交流電（AC）的形式提供，因此得名。這種充電需要電動汽車中的車載充電機（OBC）將交流電轉換為直流電，這是使用交流電為電池充電所必需的做法。
1 級交流
這是最基本的充電機，從電網接收120-240Vac（13-16A）電源，然后通過充電電纜將其提供給電動汽車。它是最慢的充電機類型，但也是最便攜的，幾乎可以在任何地方插入充電，大多數型號的額定功率通常最多為1kW。
2 級交流
2 級交流充電機仍然使用現成的120-240Vac電源，主要區別在于它的額定電流更高（32-40A）。這些交流充電機通常永久連接到家庭和公共場所的樁上，它們的額定功率通常高達11-22 kW。
直流充電
要減少電動汽車的充電時間，唯一的方法是采用直流充電。直流充電機繞過電動汽車中的車載充電機，直接向電動汽車的電池供電。
2 級直流充電 / 2+級 / 直流充電盒
對于20-25kW左右的功率級別，常見的解決方案將被稱為“2級”直流充電機，盡管沒有官方正式的命名說法，這些充電機還是可以在住宅和商業場所找到。
與交流充電相比，其最大的區別是有一個額外的內置電源模塊轉換器，可以執行從交流到直流的整流（例如“AFE”-有源前端）。然后，該直流電流通過充電電纜饋入汽車為電池充電。根據功率器件的選擇，它還可以提供雙向充電功能。
3 級直流快速充電（DCFC）/ 快充 / 超級充電機
3 級直流充電機通常又稱為直流快速充電機（DCFC）或超級充電機，這種類型充電機的功率水平可以輕松地從50kW到高達1MW之間變化。這些充電機由20、30、50、60kW甚至更高的多個功率塊組成，以獲得所需的功率水平。根據容量的不同，這些快速充電機可以在20分鐘內為典型的電動汽車電池充電。
充電標準
就像我們有不同的充電機級別來區分功率級別一樣，充電機所使用的連接器也有不同的標準。
充電機的連接器類型
常見的 AC-DC 拓撲
對于交流／直流功率轉換，可以使用單相和三相拓撲。單相拓撲最常見于家庭充電或功率水平低于6.6kW時，而三相拓撲更適合更高功率的充電模塊（>11kW）：
• 圖騰柱／功率因子校正（PFC）
• NPC / ANPC – 中性點接觸PFC／有源中性點PFC
• AFE – 有源前端PFC
• 維也納整流器
• T型PFC
有關每種拓撲電路、推薦部件和參考設計的知識，請訪問Wolfspeed的應用說明：PRD-08367：電動汽車充電功率拓撲設計指南 | Wolfspeed。
常見 DC/DC 功率拓撲
將交流電源轉換為400V-800V的典型直流母線電壓后，我們現在可以將其轉換為電動汽車電池充電所需的電壓。下面介紹的各種DC/DC拓撲可以幫助實現這一目標：
DAB - 雙有源橋
PSFB – 相移全橋
LLC轉換器
CLLC轉換器
結語
在不斷發展的電動汽車充電領域，人們大力推動更高功率和更高密度的解決方案，以減少與典型內燃機汽車相比的充電停機時間，這仍然是一個普遍的瓶頸。這導致越來越多地采用創新的多級拓撲來滿足這些電力需求，要求電池在不運行的高峰需求期間支持電網，并要求拓撲支持雙向充電。
這兩項要求進一步強化了對更高效功率半導體開關的需求。Wolfspeed的碳化硅器件非常適合支持這些下一代要求。請訪問 Wolfspeed 官方網站，查找開始您自己的電動汽車充電機設計之旅所需的產品、參考設計和設計支持工具。
(a) Wolfspeed®分立器件、(b) 模塊和 (c) 60kW LLC參考設計
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