本文作者：Avnet Abacus技術總監Martin Keenan

全球汽車制造商通過增加電動汽車（EV）的比例來應對日益嚴格的排放法規。近年來，全球電動汽車銷量激增，2020年的數據表明，電動汽車已開始從傳統的內燃機（ICE）車輛中搶占市場份額。

隨著越來越多的政府提出未來或禁止銷售傳統汽車的截止日期，長期預測表明，到2032年，將會有50％的汽車采用電動或混動技術。

電動汽車的增長歷來受到許多因素的阻礙，不僅是消費者對其認識不夠，同時還有充電里程上的焦慮。

如今，還有一個重點是電動汽車充電基礎設施上，基礎設施必須得到大力發展以支持電動汽車爆炸式增長。駕駛員此前順暢的體驗來自傳統加油站的廣泛分布以及更便利的加油方式。充電基礎設施必須提供同等的體驗。簡而言之，電動汽車駕駛員必須在需要時可以輕松訪問合適的充電點，并且必須在不延長行駛時間的情況下安全地為車輛充電。

電動汽車充電站可用性

電動汽車的快速發展和創新已導致設計和專有技術的激增，并且隨著電動汽車制造商尋求通過充電速度來實現差異化，充電方法也有了長足的發展。

電動汽車電池需要使用來自電網的DC電流充電（圖1），充電速度的主要驅動因素是AC / DC轉換功能的設計。車載充電器為車輛在可用充電點提供了更大的靈活性，但是出于空間和重量的考慮，它們限制了這些充電器的功率，從而限制了充電速度。

位于公共場所的專用直流充電點包含此轉換設備，可以繞過任何車載充電器，并且由于這些充電點的空間和重量限制與車載充電點不同，因此可以設計為更高的充電電流，充電時間更快。

快速充電能力是這些公共充電站的關鍵要求，并且近年來出現了許多行業驅動的標準。在日本，三菱，日產和其他公司支持CHAdeMO（Charge de Move）標準，而全球最大的電動汽車市場中國已經建立了GB/T標準。在歐洲，寶馬，戴姆勒——奔馳，福特和大眾汽車集團已合作開發聯合充電系統（CCS），而目前的電動汽車市場領導者特斯拉已推出了自己的專有增壓方案。

與這些行業標準的發展同時，國際電工委員會（IEC）已指定了許多涵蓋EV充電技術各個方面的標準。 IEC 61851描述了四種不同的充電模式（表1），這些模式指定了各種EV充電情況的標準，范圍從家用電源點到獨立的公共充電站。

表1：IEC 61851-1定義了EV充電的4種模式

其他相關標準包括IEC 62196（涵蓋插頭，插座，車輛連接器和車輛入口）以及IEC 61980（涉及EV無線功率傳輸（WPT）系統）。

這些標準使整個行業圍繞充電站的設計和部署興起。根據歐洲數據，歐洲現在有213367個充電站，而2015年為48182個，五年內增長了300％以上。僅在英國，現在就有31320個充電點，相當于每100 Km高速公路有220個充電點，而2015年為每100 Km 29個。隨著電動汽車采用率的持續增長，全球充電站市場注定會在未來幾年保持健康增長。市場研究公司Markets＆Markets的最新報告預測，從2017年起的五年中，復合年增長率為41.8％，到2023年，總價值將達到304.4億美元。

充電速度

除充電點可用性外，充電速度也至關重要，尤其是對于公共充電站而言，必須為多個用戶提供服務，并且較長的充電周期可能會對行駛時間造成不好的影響。模式4 DC充電站定義了兩種充電級別：

快速充電點（功耗：7-22kW）可在大約三到四個小時內將EV電池從零充電至充滿。大多數公共充電站都提供此費率。

急速充電（功耗：43-50kW）可在短短30分鐘內將電池充電至80％的容量。并非所有的電動汽車都與快速充電兼容，并且盡管主要道路網絡上已開始出現50kW和更高功率的充電點以實現旅途中的快速充值，但該級別的可用性受到限制。

表2顯示了使用不同功率級別將24 kWh電池充電至80％的理論時間。

表2：24 kWh電池的理論充電時間

實際上，大約80％的電動汽車在家中充電，如果算上在辦公場所的話，數字將上升到96％-97％。由于現代電動汽車的續航里程可達300英里，因此快充僅限于較長旅程中的充電。

公共充電站代表了充電開發的“尖端”，其中較高的功率水平對于長距離駕駛員的體驗至關重要。

充電站設計

如前所述，模式4的重點是DC充電站要增加功率水平，以減少充電時間。盡管50 kW已成為公共充電站的當前標準，但將充電時間縮短至30分鐘以內的壓力正推動著功率水平在120至240 kW范圍內的充電器的發展。在此級別上，冷卻系統，更高的功率密度和整個系統的尺寸是關鍵優先事項。

充電器的DC / DC轉換器的設計基于準諧振轉換器（QRC）技術，使用高開關頻率來最大程度地減少損耗并提高功率密度。通過使用寬帶隙半導體技術（例如碳化硅（SiC）），還可以提高模式4充電器的功率密度。

SiC器件的開關速度比傳統的硅等效器件快，從而繞組和電容器更小。 SiC MOSFET的RDS（ON）低，因此開關損耗也非常低，并且擊穿電壓也比硅高得多，并且可以承受更高的工作溫度。總而言之，SiC二極管和MOSFET的特性使開發更緊湊，更高效率和整體性能更高的充電站成為可能。