直流快速充电器：为电动汽车提供快速充值

如果电动汽车充电基础设施需要排长队等待数小时，那么电动汽车就没有市场。由于公共充电点趋向于增加电力输送以缩短充电时间，电动汽车正在寻找狂热的买家。此外，配套的充电基础设施正在迅速扩大——到 10 年，全球电动汽车快速充电系统市场可能达到 82.2031 亿美元，16-6 年的复合年增长率接近 2022.2031%。

有两种方法可以为电动汽车充电——通过 1 级或 2 级交流车载充电器 （OBC），通常在家中过夜或通过直流快速充电器 （DCFC）。在交流充电中，OBC 将车辆中的交流电转换为直流电，但通过直流快速充电，转换发生在充电站中。DCFC 可以将充电时间缩短到 15 到 45 分钟之间，从而达到 80% 的充值。这确实会影响电池寿命，但是，对于长途旅行中具有大型电池组或小型电动汽车的商用车，通常建议使用这种超快速充电。

在 Wolfspeed 的引擎盖下系列的最后一章中，探讨了直流快速充电器、它们的电源特性、架构、通信和互操作性。

快速充电器功能

DCFC 提供 3 级 （L3） 的功率，这是充电器标准文章中讨论的最高充电器功率水平。2 直流快速充电绕过 OBC 直接为电池充电，并显着减少为 EV 充电所需的时间。然而，OBC仍然是充电操作的“大脑”，它监控并与快速充电器通信电池组充电和系统状态，并处理保护触发器。

快速充电器的连接器符合一个或多个标准或专有规范 - CCS，CHAdeMO，GB / T和Tesla2 - 并输出约200 VDC和高达900

-1000 VDC 范围，支持各种车辆，包括混合动力车和电池电动汽车 （BEV）。DCFC 采用三相 400-600 VAC 作为输入，因此不适用于家庭使用，因为较低电压的可用单相交流电无法支持目标 L3 输出电平。

今天的DCFC大致有两种类型的实现。

独立：这些充电器将整个充电器电路和从电网到车辆的功能集成在一个盒子中，输出 50-250 kW 的直流功率。这些装置由变电站的中压 （MV） 线路直接供电。

分体式：充电器分为两部分，分别是用户单元和电源以及通信单元，可为车辆提供 175-350 kW 的功率。用户单元通过 [相对] 低压 （LV） 直流母线从电源单元供电。分体式充电器允许在动力装置和变电站的中压线之间使用大型电流隔离变压器。其优点是噪音更低，用户单元区域可用空间更大。

高级体系结构

DCFC 设计中存在显著的定制，架构可能与充电器品牌一样多（图 2）。3 但是，所有的基本架构包括三相 PFC、DC-DC 转换器和数字控制器，类似于该教程中讨论的 OBC 架构。4 DCFC的其他典型功能包括保护机制，如图2所示的接地故障检测、网络连接以及各种用户和机械功能。

图 2：独立直流快速充电站的框图。资料来源：Signet Systems Inc.3

整体设计采用模块化设计，“电源块”并联，以实现所需的功率水平。每个模块通常为 100-120 kW，包括 PFC 和隔离式 DC-DC，例如具有交错式 LLC 电路拓扑。这允许选择性地打开和关闭模块，以满足随时所需的输出，从而节省功耗。

用于三相PFC的常见拓扑是图腾柱和维也纳（图3），后者成为最受欢迎的拓扑，因为它允许三电平开关，具有三个明显的优势。首先，只有总输出电压的一半施加到电路中使用的开关上，从而降低了开关损耗。其次，施加到电感的峰峰值电压是总输出电压的一半，从而减少电流纹波，减小电感并降低成本。第三，较低的峰峰值开关电压和电流意味着更低的辐射EMI。总体而言，这意味着更高的效率、更低的组件电压应力和更高的功率密度。

DC-DC 转换器是单向的，通常使用全桥 LLC 谐振拓扑（图 3），因为 DCFC 不用于为电网反向供电。LLC电路是交错的，以获得更高的每个模块的功率输出。例如，单个模块在 100 V 时可提供 200 kW 和 400 A RMS 的功率，或在 125 V 时提供 800 A RMS 的功率。如图 2 所示，充电器模块与电源模块堆叠在一起，可以实现更高的输出，例如，350 V 时为 875 kW，RMS 为 400 ARMS，438 V 时为 800 ARMS。

图 3：典型的电源模块包括一个三相 PFC（如图所示的维也纳拓扑）和一个交错谐振 DC-DC 转换器。

通信和互操作性

DCFC需要通知中央管理系统（CMS）其状态和跟踪的费用以进行客户计费，并启用客户身份验证和访问，电网的动态负载管理，充电站远程控制以及远程固件更新。虽然电动汽车和充电站之间的通信是通过IEC 61851协议处理的，但DCFC使用开放式充电点协议（OCPP）与CMS通信。

OCPP 由开放充电点联盟于 2009 年建立，被来自 40 多家制造商的电动汽车供应设备 （EVSE） 使用。符合 OCPP 标准的充电站可以通过任何可用的有线或无线提供商联网。这种网络不可知性允许以最小的中断和低成本更改/升级DCFC通信骨干网。例如，充电位置通常更喜欢4G和5G蜂窝网络，而不是更繁琐的有线网络。

这种互操作性迫使充电站制造商和网络提供商在价格、功能和服务以及创新方面展开竞争。

结论

虽然到9年底，全球每个公共充电点的道路上的电动汽车数量上升至2.2021辆，但这一比例可能会继续增长，使充电运营商值得安装更多的快速充电器。5 DCFC 架构已经有各种各样的，许多型号提供多种连接器选项、与中央管理系统的网络无关通信，以及高达 350 kW 的输出，可在几分钟内完成 80% 的充电充值。