《實現(xiàn)電動汽車快速充電教程》從技術層面深入探討驅動下一代電動汽車充電系統(tǒng)的架構設計與相關器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術背后的設計挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊 (PIM) 方案如何助力構建可擴展、 高效且可靠的快速充電基礎設施。我們已經(jīng)介紹過：

兆瓦級充電系統(tǒng)架構、雙有源橋的應用前景等

電動汽車充電樁的電壓等級分類、現(xiàn)代電動汽車充電樁的規(guī)格概覽

本文將介紹分立組裝與模塊組裝、兆瓦級充電的可行性實現(xiàn)路徑、液冷難題等。

分立組裝與模塊組裝的比較

1 級充電樁和部分 2 級充電樁最有可能在設計中使用分立半導體器件。 但是， 高壓充電樁需要采用散熱性能更優(yōu)的器件， 分立器件與 PIM 器件散熱方式的對比清晰地說明了這一點。

如圖所示， 各示意圖的上半部分為兩種封裝的芯片至散熱器的機械組裝剖面， 同時標出了結溫測量點。 下半部分顯示了每種機械組裝的熱電氣模型。 這里， 功率流用電流表示， 溫度用電壓表示。

對這些電氣狀態(tài)進行建模時， 分立組裝的引腳漏電阻參數(shù) (PON 37W – 49W) 遠高于模塊組裝 (18W – 24W)。 分立封裝不提供電氣隔離。 因此， 即使手動引入熱防護加固措施， 也不可能從分立封裝中導出 40W 以上的熱損耗。 在所示位置，分立組裝的理論熱結溫升幅 ΔTJH 可能高達 290°C， 而在對應位置， PIM 的溫度升幅僅有 38°C。 對于高壓應用而言， PIM 模塊封裝可能是唯一選擇。

兆瓦級充電的可行性實現(xiàn)路徑隨著全球重型車輛向兆瓦級充電邁進， 現(xiàn)有的充電標準可能不再適用。2024 年 8 月， 特斯拉推出了 Tesla Semi 半掛卡車車隊， 并聯(lián)合百事可樂展開了全美范圍的測試。 報告稱其 EVC 效率為每英里 1.64 千瓦時 (kWh/mi)。 反向推算可知， 每千瓦時可行駛約半英里。 因此， 為了達到 250 英里的目標續(xù)航里程， 電池容量需要接近 500 kWh。 ORNL 的兆瓦級系統(tǒng)要在半小時內(nèi)將特斯拉半掛卡車電池充電至 80%， 必須能夠提供 1.2 MW 的 EVC 功率。

ORNL 的設計確實允許充電系統(tǒng)通過單一電網(wǎng)接入點提供高達 16 MW 的功率，并且每個接入點支持多個端口。 然而， 這些端口不僅會連接特斯拉半掛卡車等負載， 還會連接備用儲能系統(tǒng) (ESS) 和光伏系統(tǒng) (PV)。 右側表格列出了各端口的充電要求。 為了同時滿足所有這些要求， 充電系統(tǒng)需要使用寬禁帶 2 kV SiC MOSFET(例如安森美(onsemi)的 M3S 系列) ， 作為其 DC-DC 電源轉換系統(tǒng)的關鍵開關元件。

液冷難題

令許多人感到驚訝的是， 電動汽車充電系統(tǒng)在充電過程中， 最熱的部分竟然是連接器。 如今， 所有政府認可的國際標準 EVC 連接器都必須配備液體冷卻液的進出口管。 該冷卻系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)， 冷卻液永久密封在其管道和收集罐中。 沒有液體從外部注入。

一種安全、 低導電性、 不可燃且具有良好導熱性能的流體(如乙二醇/水溶液) ，通過電站內(nèi)部的獨立泵送裝置循環(huán)流經(jīng)冷卻回路。 與充電線纜平行布置的管道直通連接器， 可直接接觸溫度最高的部位。 這種接觸會吸收熱量， 將其從連接器帶走， 再沿電纜組件返回， 最終傳導回充電站。 在充電站中， 熱量由主動冷卻系統(tǒng)處理， 例如強制空氣通道， 或在某些情況下使用第二個封閉液體回路。 該系統(tǒng)不僅保護充電樁， 還可以保護與其連接的車輛。

液冷是目前為止改善結溫的最佳方法， 不僅能夠延緩功率器件的老化效應， 還能增強焊點和引線鍵合的強韌性。 然而， 在充電站中， 除了已有的回路之外， 再增加一個獨立的液體循環(huán)回路來保護電源轉換器電子元件， 可能并不現(xiàn)實。

可擴展性權衡

空氣驅動的散熱系統(tǒng)因操作簡便、 零部件少、 易于集成等優(yōu)點而備受贊譽。 另外， 相較于冷卻液泄漏， 人們對空氣泄漏危險性的擔憂要小得多。

IEC 外殼防護標準 IP20 規(guī)定， 電力設備組件需預留自然通風通道， 而另一項 IEC 標準 IP65 則要求為強制通風通道預留空間。 然而， 為使這些通道有效， 這些標準要求使用較粗的銅線， 從而增大與通道氣流接觸的表面積， 但這也會導致電源系統(tǒng)的體積和成本增加。 即使拋開標準不談，風冷系統(tǒng)據(jù)稱也是充電設備中故障率最高的組件之一， 常導致系統(tǒng)失效并產(chǎn)生過大噪聲。

據(jù)報道， 有些 EVC 廠商正在研發(fā)所謂的“液體接口” 。 這種接口能夠讓圍繞功率模塊的液體閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)擴展， 并有可能與系統(tǒng)中其他位置的循環(huán)泵連接。

不過， 業(yè)界普遍認為， 對于采用分立半導體器件的高壓充電樁而言， 任何液冷系統(tǒng)都無法有效散發(fā)其產(chǎn)生的熱量。 最終在市場上勝出的散熱架構， 需要在熱完整性和可升級性之間取得最佳平衡， 并且設計中必須納入 PIM。 至少在快速充電 EVC 普及之前， 系統(tǒng)的不同組件可能會搭配不同的閉環(huán)散熱機制， 這種方式完全可行。

未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)介紹功率因數(shù)校正 (PFC) 級、諧振電源轉換級、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。