原创 电动汽车充电类型和常见拓扑

随着道路上电动汽车数量的增加，对其充电所需的电力需求也在呈指数级增长。据估计，到2030年，这些车辆将需要约230太瓦时（TWh，1 太瓦时 = 10 亿千瓦时）的能量来为这些车辆充电，而目前的需求量为11太瓦时。为了满足如此多的汽车和随之而来的电力需求，将需要近3000万个充电机。虽然大多数充电机将安装在个人住宅中，但还需要安装超过120万个公共充电机，才能为行驶中的电动汽车提供服务。 

电动汽车的累计充电机需求

家用充电机通常使用常见的、现成的交流电源。另一方面，公共充电机旨在提供快速可靠的充电体验，就像为传统内燃机（ICE）车辆加油一样。这意味着公共快速充电机需要具有足够的电力传输能力（高达600kW），以便在15分钟内为电动汽车充满电，而这只能通过直流充电来实现。

充电类型

交流充电是典型的家庭中采用常规电源进行充电，该电源以交流电（AC）的形式提供，因此得名。这种充电需要电动汽车中的车载充电机（OBC）将交流电转换为直流电，这是使用交流电为电池充电所必需的做法。 

1级交流

这是最基本的充电机，从电网接收120-240Vac（13-16A）电源，然后通过充电电缆将其提供给电动汽车。它是最慢的充电机类型，但也是最便携的，几乎可以在任何地方插入充电，大多数型号的额定功率通常最多为1kW。

1级交流充电机

2级交流

2级交流充电机仍然使用现成的120-240Vac电源，主要区别在于它的额定电流更高（32-40A）。这些交流充电机通常永久连接到家庭和公共场所的桩上，它们的额定功率通常高达11-22 kW。

2级交流充电机

直流充电

要减少电动汽车的充电时间，唯一的方法是采用直流充电。直流充电机绕过电动汽车中的车载充电机，直接向电动汽车的电池供电。

2级直流充电／2+级／直流充电盒

对于20-25kW左右的功率级别，常见的解决方案将被称为“2级”直流充电机，尽管没有官方正式的命名说法，这些充电机还是可以在住宅和商业场所找到。

与交流充电相比，其最大的区别是有一个额外的内置电源模块转换器，可以执行从交流到直流的整流（例如“AFE”-有源前端）。然后，该直流电流通过充电电缆馈入汽车为电池充电。根据功率器件的选择，它还可以提供双向充电功能。

2级直流充电机

3级直流快速充电（DCFC）／快充／超级充电机

3级直流充电机通常又称为直流快速充电机（DCFC）或超级充电机，这种类型充电机的功率水平可以轻松地从50kW到高达1MW之间变化。这些充电机由20、30、50、60kW甚至更高的多个功率块组成，以获得所需的功率水平。根据容量的不同，这些快速充电机可以在20分钟内为典型的电动汽车电池充电。

3级直流快速充电机

充电标准

就像我们有不同的充电机级别来区分功率级别一样，充电机所使用的连接器也有不同的标准。

充电机的连接器类型

常见的AC-DC拓扑

对于交流／直流功率转换，可以使用单相和三相拓扑。单相拓扑最常见于家庭充电或功率水平低于6.6kW时，而三相拓扑更适合更高功率的充电模块（>11kW）：

• 图腾柱／功率因子校正（PFC）
• NPC / ANPC – 中性点接触PFC／有源中性点PFC 
• AFE – 有源前端PFC 
• 维也纳整流器 
• T型PFC
  

常见DC/DC功率拓扑

将交流电源转换为400V-800V的典型直流母线电压后，我们现在可以将其转换为电动汽车电池充电所需的电压。下面介绍的各种DC/DC拓扑可以帮助实现这一目标：

• DAB - 双有源桥
• PSFB – 相移全桥 
• LLC转换器 
• CLLC转换器  

结语

在不断发展的电动汽车充电领域，人们大力推动更高功率和更高密度的解决方案，以减少与典型内燃机汽车相比的充电停机时间，这仍然是一个普遍的瓶颈。这导致越来越多地采用创新的多级拓扑来满足这些电力需求，要求电池在不运行的高峰需求期间支持电网，并要求拓扑支持双向充电。 

来源：arrow/ Wolfspeed