【導(dǎo)讀】《實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動(dòng)下一代電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)器件。重點(diǎn)涵蓋兆瓦級電動(dòng)汽車充電技術(shù)背后的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊（PIM）方案如何助力構(gòu)建可擴(kuò)展、高效且可靠的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。我們已經(jīng)介紹過：《兆瓦級充電系統(tǒng)架構(gòu)、雙有源橋的應(yīng)用前景等》《電動(dòng)汽車充電樁的電壓等級分類、現(xiàn)代電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)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(shí)現(xiàn)路徑、液冷難題等。
（一）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(shè)計(jì)中使用分立半導(dǎo)體器件。但是，高壓充電樁需要采用散熱性能更優(yōu)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(diǎn)。
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(jī)械組裝剖面，同時(shí)標(biāo)出了結(jié)溫測量點(diǎn)。下半部分顯示了每種機(jī)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(tài)進(jìn)行建模時(shí)，分立組裝的引腳漏電阻參數(shù)（PON37W–49W）遠(yuǎn)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(dòng)引入熱防護(hù)加固措施，也不可能從分立封裝中導(dǎo)出40W以上的熱損耗。在所示位置，分立組裝的理論熱結(jié)溫升幅ΔTJH可能高達(dá)290℃，而在對應(yīng)位置，PIM的溫度升幅僅有38℃。對于高壓應(yīng)用而言，PIM模塊封裝可能是唯一選擇。
（二）兆瓦級充電的可行性實(shí)現(xiàn)路徑
隨著全球重型車輛向兆瓦級充電邁進(jìn)，現(xiàn)有的充電標(biāo)準(zhǔn)可能不再適用。2024年8月，特斯拉推出了Tesla Semi半掛卡車車隊(duì)，并聯(lián)合百事可樂展開了全美范圍的測試。報(bào)告稱其EVC效率為每英里1.64千瓦時(shí)（kWh/mi）。反向推算可知，每千瓦時(shí)可行駛約半英里。因此，為了達(dá)到250英里的目標(biāo)續(xù)航里程，電池容量需要接近500kWh。ORNL的兆瓦級系統(tǒng)要在半小時(shí)內(nèi)將特斯拉半掛卡車電池充電至80%，必須能夠提供1.2MW的EVC功率。
ORNL的設(shè)計(jì)確實(shí)允許充電系統(tǒng)通過單一電網(wǎng)接入點(diǎn)提供高達(dá)16MW的功率，并且每個(gè)接入點(diǎn)支持多個(gè)端口。然而，這些端口不僅會(huì)連接特斯拉半掛卡車等負(fù)載，還會(huì)連接備用儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）和光伏系統(tǒng)（PV）。右側(cè)表格列出了各端口的充電要求。為了同時(shí)滿足所有這些要求，充電系統(tǒng)需要使用寬禁帶2kV SiC MOSFET[例如安森美（onsemi）的M3S系列]，作為其DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵開關(guān)元件。
（三）液冷難題
令許多人感到驚訝的是，電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)在充電過程中，最熱的部分竟然是連接器。如今，所有政府認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)EVC連接器都必須配備液體冷卻液的進(jìn)出口管。該冷卻系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，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(dǎo)電性、不可燃且具有良好導(dǎo)熱性能的流體（如乙二醇/水溶液），通過電站內(nèi)部的獨(dú)立泵送裝置循環(huán)流經(jīng)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(huì)吸收熱量，將其從連接器帶走，再沿電纜組件返回，最終傳導(dǎo)回充電站。在充電站中，熱量由主動(dòng)冷卻系統(tǒng)處理，例如強(qiáng)制空氣通道，或在某些情況下使用第二個(gè)封閉液體回路。該系統(tǒng)不僅保護(hù)充電樁，還可以保護(hù)與其連接的車輛。
液冷是目前為止改善結(jié)溫的最佳方法，不僅能夠延緩功率器件的老化效應(yīng)，還能增強(qiáng)焊點(diǎn)和引線鍵合的強(qiáng)韌性。然而，在充電站中，除了已有的回路之外，再增加一個(gè)獨(dú)立的液體循環(huán)回路來保護(hù)電源轉(zhuǎn)換器電子元件，可能并不現(xiàn)實(shí)。
可擴(kuò)展性權(quán)衡
空氣驅(qū)動(dòng)的散熱系統(tǒng)因操作簡便、零部件少、易于集成等優(yōu)點(diǎn)而備受贊譽(yù)。另外，相較于冷卻液泄漏，人們對空氣泄漏危險(xiǎn)性的擔(dān)憂要小得多。
IEC外殼防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)IP20規(guī)定，電力設(shè)備組件需預(yù)留自然通風(fēng)通道，而另一項(xiàng)IEC標(biāo)準(zhǔn)IP65則要求為強(qiáng)制通風(fēng)通道預(yù)留空間。然而，為使這些通道有效，這些標(biāo)準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)的體積和成本增加。即使拋開標(biāo)準(zhǔn)不談，風(fēng)冷系統(tǒng)據(jù)稱也是充電設(shè)備中故障率最高的組件之一，常導(dǎo)致系統(tǒng)失效并產(chǎn)生過大噪聲。
據(jù)報(bào)道，有些EVC廠商正在研發(fā)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(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，并有可能與系統(tǒng)中其他位置的循環(huán)泵連接。
不過，業(yè)界普遍認(rèn)為，對于采用分立半導(dǎo)體器件的高壓充電樁而言，任何液冷系統(tǒng)都無法有效散發(fā)其產(chǎn)生的熱量。最終在市場上勝出的散熱架構(gòu)，需要在熱完整性和可升級性之間取得最佳平衡，并且設(shè)計(jì)中必須納入PIM。至少在快速充電EVC普及之前，系統(tǒng)的不同組件可能會(huì)搭配不同的閉環(huán)散熱機(jī)制，這種方式完全可行。
未完待續(xù)，后續(xù)推文將陸續(xù)介紹功率因數(shù)校正（PFC）級、諧振電源轉(zhuǎn)換級、打造更快速電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的安森美方案、現(xiàn)代地面交通的演進(jìn)等。
