《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。我們已經介紹過：

兆瓦級充電系統架構、雙有源橋的應用前景等

電動汽車充電樁的電壓等級分類、現代電動汽車充電樁的規格概覽

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。

對這些電氣狀態進行建模時， 分立組裝的引腳漏電阻參數 (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路徑隨著全球重型車輛向兆瓦級充電邁進， 現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 英里的目標續航里程， 電池容量需要接近 500 kWh。 ORNL 的兆瓦級系統要在半小時內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通過單一電網接入點提供高達 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 (ESS) 和光伏系統 (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。 該冷卻系統是一個閉環系統， 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) ，通過電站內部的獨立泵送裝置循環流經冷卻回路。 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回路來保護電源轉換器電子元件， 可能并不現實。

可擴展性權衡

空氣驅動的散熱系統因操作簡便、 零部件少、 易于集成等優點而備受贊譽。 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的體積和成本增加。 即使拋開標準不談，風冷系統據稱也是充電設備中故障率最高的組件之一， 常導致系統失效并產生過大噪聲。

據報道， 有些 EVC 廠商正在研發所謂的“液體接口” 。 這種接口能夠讓圍繞功率模塊的液體閉環系統實現擴展， 并有可能與系統中其他位置的循環泵連接。

不過， 業界普遍認為， 對于采用分立半導體器件的高壓充電樁而言， 任何液冷系統都無法有效散發其產生的熱量。 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， 系統的不同組件可能會搭配不同的閉環散熱機制， 這種方式完全可行。

未完待續，后續推文將陸續介紹功率因數校正 (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。