【導讀】直流（DC）快速充電站主要位于公共場所，交流（AC）充電設計主要用于家庭住宅。而現在出現的壁掛式直流電源箱（DC wallbox）利用碳化硅（SiC）器件提升了效率，成為功能更加強大的家庭充電選擇。
直流（DC）快速充電站主要位于公共場所，交流（AC）充電設計主要用于家庭住宅。而現在出現的壁掛式直流電源箱（DC wallbox）利用碳化硅（SiC）器件提升了效率，成為功能更加強大的家庭充電選擇。
減少溫室氣體排放對環保至關重要，而電動車輛在減排中發揮著重大作用。電動車輛（EV）的普及與充電站基礎設施密切關聯：道路上的電動車輛越多，可用的充電點就越多；而基礎設施的改善反過來會激勵更多人改乘電動車輛。而且，日益增長的電動車推動了更強大的新型電池的發展，不僅電池成本得以降低，制造更大電池容量和更長續航里程的車輛也成為可能。為了開發具有更高功率密度的電池，高充電容量必不可少，尤其是在同一場所為大量車輛同時充電時。因此，新的充電概念出現了。
然而，電動車輛和充電站數量的不斷增加會對電網穩定性造成負擔，特別是在城市和郊區。因此，新的充電概念還要確保持續的電力穩定。例如，智能和聯網充電點通過改善和集中化充電管理來防止供電需求的波動；而采用雙向充電，電動汽車的電池也可以變換為緩沖存儲器，回饋電力給家庭住宅、工業建筑和電網。
各種不同的充電概念
大約60%的歐洲電動車輛用戶都擁有自己的充電站。這些充電點通常采用交流電源，輸出功率在3.7 kW至11 kW之間（極少數情況下可達到22 kW）。因此將電動汽車的電池充滿電，需要花費好幾個小時。而且，要使用這些充電站，電動車輛上需要集成車載充電器（OBC）。交流充電站也可用于公共停車場或購物中心，這類交流充電站通常都具有高達22 kW的輸出功率。根據OBC的充電功率可知，100 kWh電池的充電時間約為5個小時。
如果電池需要快速充電，那快速充電柱無疑是正確的選擇。快速充電柱具有50至350 kW的高額定功率，主要安裝在公共停車場和大型充電站。通過快速充電站對電動車輛進行充電只需要不到一小時的時間，而使用超快速充電站則可將時間進一步縮短至20分鐘，這具體取決于電池大小。與交流充電站相比，直流充電站具有集成轉換器，它將來自市電的交流電轉換為直流電，然后直接將電能饋送到車輛電池中。直流固定充電點甚至可以用于家庭住宅和公司。例如，輸出功率為22 kW的壁掛式直流電源箱（如圖1所示），就可以安裝到你家車庫的墻上。
圖1：住宅充電：壁掛式直流電源箱是家庭車庫的快速充電解決方案，它可以連接到家庭光伏系統（圖片：Rohm Semiconductor）
壁掛式直流電源箱可輕松安裝在家庭車庫中，并且很容易與光伏（PV）系統對接。光伏系統產生的直流電，可以通過DC / DC轉換器直接為車輛電池充電。另外還可以安裝一個能量存儲系統（ESS）以利用多余的能量。存儲系統與充電站、電動和混合動力車輛，以及光伏系統組合起來，就可以形成一個自給自足的供電系統，可以優化能源需求和發電。ESS也是電動車輛舊電池回收利用的最佳方法。盡管這些舊電池不再適合用作車輛的儲能設備，但70%到80%的容量仍可用于要求不高的應用（例如ESS）。這些舊電池被稱為“二次電池”（second-life batteries ，SLB），它們可以為充電站提供靈活的功率流，實現與電網之間的雙向有功功率交換。因此，電動車輛也可用于負載控制，從而優化電網負載。如果出現電力短缺，存儲在汽車電池中的能量可以回流并穩定電網（V2G）。
直流充電的需求
從一定程度上說，用戶行為對充電概念的發展具有重要意義。但歸根結底，直流充電站能否在家庭住宅中廣泛使用仍取決于電動汽車廠商。這其中的關鍵因素就在車載充電器（OBC），OBC必須集成到每輛車中才能通過交流充電站充電。由于汽車電子組件的空間和功率密度存在一定技術限制，OBC的充電功率是有限的。而采用直流充電，轉換器不必集成在電動車輛中，而是直接集成在充電站中。如此一來，電動車輛架構中的組件得以減少，生產成本也得以降低。與此同時，更多空間可以用來提高車輛本身的效率。這最終減輕了車輛重量，也節省了能源，反過來還可能延長續航里程。
根據功率級別選擇適當的拓撲和組件就可以實現更高的功率密度。硅IGBT由于高性價比如今在電動車輛中占據著主導地位。但與之相比，碳化硅（SiC）MOSFET變換器具有更高的開關頻率，當然其成本也較高，不過這一點可以從系統設計上通過其它組件來彌補。
此外，碳化硅具有出色的材料特性，例如它具有最小的正向電阻增長。與硅器件相比，碳化硅器件可以實現更大程度的封裝小型化和節能效果。碳化硅器還可以在更高的環境溫度下運行，實現更高效率。直流充電站可以配備不同拓撲的SiC MOSFET，像羅姆等公司已經在批量生產中實現了。
直流充電站拓撲結構
充電站實際上由不同的拓撲結構組成，而充電系統通常包含兩個轉換器功率級。AC/DC級將來自市電的AC電壓轉換為DC電壓，然后再通過DC/DC級與電池電壓匹配。DC / DC級還可以調節充電電流并提供安全操作所需的電流隔離（如果原邊側沒有實施隔離的話）。
圖2: 直流充電站的三級拓撲結構
與兩級拓撲相比，三級拓撲需要更多的組件，也具有更高的柵極控制復雜度（尤其是在雙向配置中），這可能導致系統尺寸的增大。但是，三級解決方案可降低總開關損耗并實現最佳EMC特性。
比較而言，兩級拓撲的器件數量少很多，因此系統尺寸也小。若采用最新的SiC技術，利用兩級拓撲也可以實現低開關損耗以及高效率。因此，即使充電電壓范圍為200 V至800 V，SiC技術仍是壁掛式直流電源箱的最佳選擇。
拓撲的選擇取決于快速充電站各自的隔離要求。如果市電電壓已經隔離，則無需復雜的DC / DC電路，這些電路在所謂的“充電站”中常用到；若沒有隔離，盡管直流充電站具有寬電壓輸出和風冷系統，通常它們仍需使用類似車載充電器（OBC）的拓撲。這些隔離線路通常意味著高昂的成本支出，對家庭住宅或公共充電站來說幾乎不值。因此，通常使用具有隔離拓撲的充電站來確保充電過程中的安全。
結論
與交流充電站相比，直流充電站具有更高的功率密度和更短的充電時間。另外，由于其轉換器電源直接位于充電點中，直流充電站技術使電動汽車內部擁有更多的可用空間。快速直流充電站（DC）在公共場所尤為常見，但也有一些適合家庭住宅的直流充電設計，例如壁掛式直流電源箱（DC Wallbox）。它很容易安裝在家庭車庫中，而且還可以連接到家用光伏系統。采用碳化硅功率器件可以優化功率密度、系統尺寸與成本。但住宅直流充電站是否真的會流行，將取決于電動汽車廠商的推動。電動車OEM廠商必須確保轉換器被集成在充電站中，而不是作為車載充電器集成在車輛中。由此節省的汽車空間可以被更加有效地利用，使車輛具備更多的功能。
（參考原文：Efficient DC Charging Stations for the Garage）
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