《實現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與創新、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。本文為系列內容第一部分，將介紹電力消耗趨勢、電動汽車充電架構演進、兆瓦級充電系統架構等。

全球電力消耗重新進入上升通道

為了滿足交通運輸行業的實際需求， 州際卡車停靠站和公共車輛充電站均需配備兆瓦級充電樁。 因此， 無論充電系統實際應用于高壓還是低壓場景，都必須按照超高電壓環境的標準進行設計， 保障系統的安全性和可靠性。

這一要求將直接推動全球電力需求進一步攀升。 根據國際能源署的研究數據， 在 2009 至 2024 年這 15 年間， 全球電力需求其實一直處于穩步下降態勢。 這一趨勢得益于多方面的技術進步：電子設備能效持續提升， 智能手機和計算機等微電子設備的工作電壓不斷降低， 電力輸送網絡的能源損耗也降至歷史最低水平。

然而， 在以下三個因素的共同作用下， 這一趨勢已發生逆轉， 全球電力消耗重新進入上升通道：

工業流程與供熱系統的電氣化： 工廠與商業建筑為提升能效、 降低排放， 正逐步摒棄化石燃料， 轉而采用電力驅動。

超大規模數據中心： 隨著人工智能技術的普及， 數據中心的工作負載激增， 由此引發了對算力和散熱的巨大需求。

交通運輸的電氣化： 全球電動汽車的快速普及， 正推動交通運輸領域加速擺脫對石油的依賴。

國際能源署 (IEA) 數據顯示， 2023 年全球售出的汽車中有近五分之一是電動汽車， 其中純電動汽車占當年電動汽車銷量的 70%。

推動電動汽車充電架構演進的趨勢

多重技術影響與全新能效突破， 共同推動了當下電動汽車的發展熱潮：

鋰離子金屬材料成本下降， 帶動鋰離子電池儲能容量大幅提升， 進而推動了更高電壓、 更快充電速度的電動汽車充電樁 (EVC) 研發進程。

全球行業標準的普及， 例如國際電工委員會制定的充電器標準 IEC 61851-1 和汽車工程師協會制定的連接器標準 SAE J1772， 正推動全球充電系統的效率突破 95%。

雙向輸電系統可將電動汽車的富余電能回饋至電網， 實現電力和成本的雙重節約。

行業愈發聚焦于更高效、 更可靠的兆瓦級充電技術。

新型架構使電源轉換系統得以優化：將 DC-DC 轉換過程拆解為多個更易管控的階段， 實現轉換器與前端的解耦， 同時推動電力收集機制的去中心化。 這帶來顯著成效：一輛純電動半掛卡車的 500 kW 電池即便接近電量耗盡， 也能在半小時內充電至 80%。

兆瓦級充電系統架構

橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 構想的兆瓦級 EVC 系統依托于一種稱為“多端口”的電源轉換系統。 這種系統有望整合光伏發電 (PV)、 儲能系統 (ESS) 和電動汽車充電三大功能。 多端口所接入的充電系統自身能夠輸出 10 MW 至 15 MW 的功率， 而每個多端口支持 1 MW 至 5 MW 的功率。

由于 ORNL 的兆瓦級充電系統需滿足半掛卡車等超高電壓充電場景的安全等級要求，因此在輕型車輛和乘用車等低壓充電場景中使用時，這種設計會更加安全。

然而，要落地該架構，就意味著充電系統設計模式需要轉型：從屋頂充電站這類定制化方案，轉向可適配屋頂、洲際卡車停靠站、街角充電站等多元場景的模塊化系統。

資料來源：美國橡樹嶺國家實驗室

雙有源橋的應用前景

根據 ORNL 最初提出的方案， 每個 HD-EV 轉換器的額定功率為 1.2 MW。每個轉換器的充電端口配置可以是單個 1.2 MW 端口或三個 400 KW 端口。

在 ORNL 的設計構想中， DC-DC 轉換支架中每個充電端口的拓撲結構均基于雙有源橋 (DAB) 轉換器方案。 ORNL 做出的這一抉擇至關重要， 原因有以下幾點：

通過使用半導體器件， 高效率輸送可靠電力所需的同步電源整流過程可大大簡化。

通過在 DC-DC 轉換過程中使用脈沖寬度調制 (PWM)， 每個轉換器的電磁干擾 (EMI) 頻譜更加集中， 且更容易管理。

通過使用固定開關頻率， 系統在低負載(即僅給輕型車輛充電) 時的行為更容易處理。

DAB 是一種原生雙向拓撲， 不僅允許多余電流回送至電網， 還支持接入光伏發電機以為電力收集過程提供有效補充。

DC-DC 框圖：器件選型方案

未完待續，后續推文將陸續電動汽車充電樁的電壓等級分類、超快充電技術突破、功率因數校正 (PFC) 級、諧振電源轉換級、打造更快速電動汽車充電系統的安森美方案、現代地面交通的演進等。