针对家庭车库的高效直流充电桩——基于SiC快充技术

为保护气候，减少温室气体排放至关重要，电动汽车在减少这些排放方面发挥着重要作用。电动汽车(ev)数量的增加与充电站的基础设施密切相关:道路上的电动汽车越多，可用的充电站就越多，而基础设施的改善反过来又会激励一些人转而使用电动汽车。此外，电动出行的增长正在推动更强大的新型电池的开发，降低电池成本，并使制造更大容量和续航里程的汽车成为可能。为了开发更高功率密度的电池，高充电能力是必不可少的，特别是在大量车辆同时在一个地方充电的情况下。因此，新的充电概念亟待开发。特别是在大城市中，电动汽车和充电站数量的增加对电网的稳定性造成了负担，需要新的充电概念以保持持续稳定地供能。例如，智能和网络化的充电站可以帮助优化和集中管理充电，从而防止波动；通过双向充电，电动汽车的电池还可以转化为私人住宅、工业建筑和电网的缓冲器。

不同的充电概念

大约 60%的欧洲电动汽车用户都有自己的充电站。这些充电点通常以交流电为基础运行，输出功率在 3.7kW 至 11kW 之间(在极少数情况下为 22kW)。因此，给电动汽车的电池完全充电需要几个小时。然而， 要使用这些充电桩，电动汽车需要一个集成的车载充电器(OBC)。交流充电站通常也可用于公共停车场或购物中心，这种交流充电站的输出功率通常可达 22kW。因此，100 千瓦时电池的充电时间约为 5 小时，这取决 于 OBC 的充电功率。如果电池需要快速充电，则需要快速充电站，其额定功率较高，在 50~350kW 之间，主要用于公共停车场和大型充电站。根据电池的大小，使用快速充电站给电动汽车充电需要不到 1 小时；使用超快 充电站，时间缩短至 20 分钟。与交流版本相比，直流充电站有一个集成的转换器，将来自市电的交流电转换为直流电，这使得电力可以直接输入车辆的电池。即使是私人家庭和公司也可以从使用直流电的固定充电点中获益。例如，您自己的四面墙的一个变体是直流墙框（图 1），输出值为 22kW。

直流墙盒可以很容易地安装车库中，在那里它很容易结合光伏(PV)系统。光伏系统产生直流电，可以通过DC/DC转换器直接充电到汽车电池中。此外，还可以安装一个能量存储系统(ESS)，以允许使用多余的能量。储能系统与充电站、电动汽车和混合动力汽车、光伏系统相结合，形成一个自给自足的系统，使能源需求和发电得到优化。ESS应用也很适合回收电动汽车的旧电池。虽然电池的容量在70% - 80%之间，不再适合作为车辆的储能设备，但它们可以用于要求较低的应用，如ESS。这些所谓的二次电池(slb)为充电站提供灵活的功率流，使其能够与电网进行双向有功功率交换。因此，电动汽车可用于负荷控制，优化电网负荷。如果出现短缺，储存在汽车电池中的能量就会回流，稳定电网(V2G)。

对直流电流的要求

用户行为在一定程度上对收费理念的发展具有重要意义。然而，最终直流充电站能否在私人家庭中被广泛接受取决于整车厂。最关键的因素是OBC，它需要集成到每一辆车上，通过交流充电站进行充电。由于汽车中使用的组件的空间和功率密度有技术限制，OBC的充电功率也受到限制。直流电充电时，变流器不是集成在电动汽车中，而是直接在充电站中，这样可以在电动汽车的建设中节省元件，降低生产价格。与此同时，有更多的空间可用来提高车辆本身的效率。最终，汽车重量的减少也意味着能源的减少，这反过来又可能延长行驶里程。更高的功率密度是通过选择合适的拓扑结构和合适的功率级组件来实现的。由于其价格/性能比，硅IGBT主导了今天的电动移动。SiC MOSFET的成本可以通过节省其他组件在系统级上得到补偿，因为基于SiC MOSFET的转换器可以在比硅IGBT转换器更高的开关频率下工作。

此外，SiC具有优异的材料性能，如最小的增加正向电阻，与硅元件相比，可使得封装更加小型化和节能。基于SiC的组件可以在更高的环境温度下操作，并实现非常高的效率。充电站也可以配备不同拓扑结构的SiC MOSFET。目前Rohm已经在批量生产中实施了这种方法。

直流充电站拓扑

事实上，充电站确实由不同的拓扑结构组成(图2)。充电系统通常由两个转换阶段组成。AC/ DC级将市电的交流电压转换为直流电压，然后通过DC/DC级将直流电压转换为电池电压。DC/DC级还调节充电电流，并提供安全操作所需的电流隔离(如果主侧尚未实现)。

直流充电站的三级拓扑结构

三层拓扑比双层拓扑需要更多的组件，并且具有更高的关口控制复杂性(特别是在双向配置中)，这可能会导致系统大小的增加。然而，三级解决方案减少了总开关损耗和平衡的 EMC 特性。相比之下，两级拓扑中的组件数量明显降低，系统大小可以减小。通过使用现代碳化硅 技术，使用两级拓扑结构还可以实现低开关损耗和高效率。因此，碳化硅技术是理想的直流 墙盒，使充电电压范围从 200V 到 800V。

拓扑结构的选择取决于快速充电站各自的隔离要求。如果自然电压已经隔离，就不需要复杂的直流/直流电路，这通常用于所谓的 “充电场”。否则，直流充电站通常使用类似 obc 的拓扑，尽管它们有广泛的电压输出和空 气冷却。这些孤立的线路与高财政支出有关，这对 私人家庭或公共收费点来说几乎不值得。因此，通常使用具有隔离拓扑结构的充电站，以确保充电过 程中的安全。

拓扑结构的选择取决于各快速充电站的隔离要求。如果自然电压已经被隔离，就不需要复杂的DC/DC电路，这通常被用于所谓的充电场。此外，直流充电站通常使用类似obc的拓扑结构，尽管它们有宽电压输出和空气冷却。这些孤立的线路与高额的财政支出有关，这对私人家庭或公共收费点来说几乎不值得。因此，一般采用隔离拓扑的充电站，以保证充电过程的安全性。

总结结论

与交流充电站相比，直流充电站具有更高的功率密度，使充电时间更短。此外，直流充电站 技术意味着，由于转换器的电源直接位于充电桩内，因此在电动汽车内有更多的空间。快速 充电站(DC)在公共空间中特别常见，但也有适合私人家庭的直流充电概念，如直流墙箱。这 很容易安装在车库中，并可以连接到家庭光伏系统。使用基于碳化硅的功率半导体可以优化功率密度、系统尺寸和成本。然而，私人直流充电站是否真的掌握在OEM手中。他们必须确保转换器集成在充电站，而不是作为车载充电器。节省的空间可以更有效地使用，使车辆更有能力。