【導讀】直流（DC）快速充電站主要位于公共場(chǎng)所，交流（AC）充電設計主要用于家庭住宅。而現在出現的壁掛式直流電源箱（DC wallbox）利用碳化硅（SiC）器件提升了效率，成為功能更加強大的家庭充電選擇。
直流（DC）快速充電站主要位于公共場(chǎng)所，交流（AC）充電設計主要用于家庭住宅。而現在出現的壁掛式直流電源箱（DC wallbox）利用碳化硅（SiC）器件提升了效率，成為功能更加強大的家庭充電選擇。
減少溫室氣體排放對環(huán)保至關(guān)重要，而電動(dòng)車(chē)輛在減排中發(fā)揮著(zhù)重大作用。電動(dòng)車(chē)輛（EV）的普及與充電站基礎設施密切關(guān)聯(lián)：道路上的電動(dòng)車(chē)輛越多，可用的充電點(diǎn)就越多；而基礎設施的改善反過(guò)來(lái)會(huì )激勵更多人改乘電動(dòng)車(chē)輛。而且，日益增長(cháng)的電動(dòng)車(chē)推動(dòng)了更強大的新型電池的發(fā)展，不僅電池成本得以降低，制造更大電池容量和更長(cháng)續航里程的車(chē)輛也成為可能。為了開(kāi)發(fā)具有更高功率密度的電池，高充電容量必不可少，尤其是在同一場(chǎng)所為大量車(chē)輛同時(shí)充電時(shí)。因此，新的充電概念出現了。
然而，電動(dòng)車(chē)輛和充電站數量的不斷增加會(huì )對電網(wǎng)穩定性造成負擔，特別是在城市和郊區。因此，新的充電概念還要確保持續的電力穩定。例如，智能和聯(lián)網(wǎng)充電點(diǎn)通過(guò)改善和集中化充電管理來(lái)防止供電需求的波動(dòng)；而采用雙向充電，電動(dòng)汽車(chē)的電池也可以變換為緩沖存儲器，回饋電力給家庭住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)。
各種不同的充電概念
大約60%的歐洲電動(dòng)車(chē)輛用戶(hù)都擁有自己的充電站。這些充電點(diǎn)通常采用交流電源，輸出功率在3.7 kW至11 kW之間（極少數情況下可達到22 kW）。因此將電動(dòng)汽車(chē)的電池充滿(mǎn)電，需要花費好幾個(gè)小時(shí)。而且，要使用這些充電站，電動(dòng)車(chē)輛上需要集成車(chē)載充電器（OBC）。交流充電站也可用于公共停車(chē)場(chǎng)或購物中心，這類(lèi)交流充電站通常都具有高達22 kW的輸出功率。根據OBC的充電功率可知，100 kWh電池的充電時(shí)間約為5個(gè)小時(shí)。
如果電池需要快速充電，那快速充電柱無(wú)疑是正確的選擇?？焖俪潆娭哂?0至350 kW的高額定功率，主要安裝在公共停車(chē)場(chǎng)和大型充電站。通過(guò)快速充電站對電動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行充電只需要不到一小時(shí)的時(shí)間，而使用超快速充電站則可將時(shí)間進(jìn)一步縮短至20分鐘，這具體取決于電池大小。與交流充電站相比，直流充電站具有集成轉換器，它將來(lái)自市電的交流電轉換為直流電，然后直接將電能饋送到車(chē)輛電池中。直流固定充電點(diǎn)甚至可以用于家庭住宅和公司。例如，輸出功率為22 kW的壁掛式直流電源箱（如圖1所示），就可以安裝到你家車(chē)庫的墻上。
圖1：住宅充電：壁掛式直流電源箱是家庭車(chē)庫的快速充電解決方案，它可以連接到家庭光伏系統（圖片：Rohm Semiconductor）
壁掛式直流電源箱可輕松安裝在家庭車(chē)庫中，并且很容易與光伏（PV）系統對接。光伏系統產(chǎn)生的直流電，可以通過(guò)DC / DC轉換器直接為車(chē)輛電池充電。另外還可以安裝一個(gè)能量存儲系統（ESS）以利用多余的能量。存儲系統與充電站、電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛，以及光伏系統組合起來(lái)，就可以形成一個(gè)自給自足的供電系統，可以?xún)?yōu)化能源需求和發(fā)電。ESS也是電動(dòng)車(chē)輛舊電池回收利用的最佳方法。盡管這些舊電池不再適合用作車(chē)輛的儲能設備，但70%到80%的容量仍可用于要求不高的應用（例如ESS）。這些舊電池被稱(chēng)為“二次電池”（second-life batteries ，SLB），它們可以為充電站提供靈活的功率流，實(shí)現與電網(wǎng)之間的雙向有功功率交換。因此，電動(dòng)車(chē)輛也可用于負載控制，從而優(yōu)化電網(wǎng)負載。如果出現電力短缺，存儲在汽車(chē)電池中的能量可以回流并穩定電網(wǎng)（V2G）。
直流充電的需求
從一定程度上說(shuō)，用戶(hù)行為對充電概念的發(fā)展具有重要意義。但歸根結底，直流充電站能否在家庭住宅中廣泛使用仍取決于電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商。這其中的關(guān)鍵因素就在車(chē)載充電器（OBC），OBC必須集成到每輛車(chē)中才能通過(guò)交流充電站充電。由于汽車(chē)電子組件的空間和功率密度存在一定技術(shù)限制，OBC的充電功率是有限的。而采用直流充電，轉換器不必集成在電動(dòng)車(chē)輛中，而是直接集成在充電站中。如此一來(lái)，電動(dòng)車(chē)輛架構中的組件得以減少，生產(chǎn)成本也得以降低。與此同時(shí)，更多空間可以用來(lái)提高車(chē)輛本身的效率。這最終減輕了車(chē)輛重量，也節省了能源，反過(guò)來(lái)還可能延長(cháng)續航里程。
根據功率級別選擇適當的拓撲和組件就可以實(shí)現更高的功率密度。硅IGBT由于高性?xún)r(jià)比如今在電動(dòng)車(chē)輛中占據著(zhù)主導地位。但與之相比，碳化硅（SiC）MOSFET變換器具有更高的開(kāi)關(guān)頻率，當然其成本也較高，不過(guò)這一點(diǎn)可以從系統設計上通過(guò)其它組件來(lái)彌補。
此外，碳化硅具有出色的材料特性，例如它具有最小的正向電阻增長(cháng)。與硅器件相比，碳化硅器件可以實(shí)現更大程度的封裝小型化和節能效果。碳化硅器還可以在更高的環(huán)境溫度下運行，實(shí)現更高效率。直流充電站可以配備不同拓撲的SiC MOSFET，像羅姆等公司已經(jīng)在批量生產(chǎn)中實(shí)現了。
直流充電站拓撲結構
充電站實(shí)際上由不同的拓撲結構組成，而充電系統通常包含兩個(gè)轉換器功率級。AC/DC級將來(lái)自市電的AC電壓轉換為DC電壓，然后再通過(guò)DC/DC級與電池電壓匹配。DC / DC級還可以調節充電電流并提供安全操作所需的電流隔離（如果原邊側沒(méi)有實(shí)施隔離的話(huà)）。
圖2: 直流充電站的三級拓撲結構
與兩級拓撲相比，三級拓撲需要更多的組件，也具有更高的柵極控制復雜度（尤其是在雙向配置中），這可能導致系統尺寸的增大。但是，三級解決方案可降低總開(kāi)關(guān)損耗并實(shí)現最佳EMC特性。
比較而言，兩級拓撲的器件數量少很多，因此系統尺寸也小。若采用最新的SiC技術(shù)，利用兩級拓撲也可以實(shí)現低開(kāi)關(guān)損耗以及高效率。因此，即使充電電壓范圍為200 V至800 V，SiC技術(shù)仍是壁掛式直流電源箱的最佳選擇。
拓撲的選擇取決于快速充電站各自的隔離要求。如果市電電壓已經(jīng)隔離，則無(wú)需復雜的DC / DC電路，這些電路在所謂的“充電站”中常用到；若沒(méi)有隔離，盡管直流充電站具有寬電壓輸出和風(fēng)冷系統，通常它們仍需使用類(lèi)似車(chē)載充電器（OBC）的拓撲。這些隔離線(xiàn)路通常意味著(zhù)高昂的成本支出，對家庭住宅或公共充電站來(lái)說(shuō)幾乎不值。因此，通常使用具有隔離拓撲的充電站來(lái)確保充電過(guò)程中的安全。
結論
與交流充電站相比，直流充電站具有更高的功率密度和更短的充電時(shí)間。另外，由于其轉換器電源直接位于充電點(diǎn)中，直流充電站技術(shù)使電動(dòng)汽車(chē)內部擁有更多的可用空間?？焖僦绷鞒潆娬荆―C）在公共場(chǎng)所尤為常見(jiàn)，但也有一些適合家庭住宅的直流充電設計，例如壁掛式直流電源箱（DC Wallbox）。它很容易安裝在家庭車(chē)庫中，而且還可以連接到家用光伏系統。采用碳化硅功率器件可以?xún)?yōu)化功率密度、系統尺寸與成本。但住宅直流充電站是否真的會(huì )流行，將取決于電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商的推動(dòng)。電動(dòng)車(chē)OEM廠(chǎng)商必須確保轉換器被集成在充電站中，而不是作為車(chē)載充電器集成在車(chē)輛中。由此節省的汽車(chē)空間可以被更加有效地利用，使車(chē)輛具備更多的功能。
（參考原文：Efficient DC Charging Stations for the Garage）
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