电动汽车快速充电教程：分立器件与PIM模块，如何适配不同等级充电桩?

摘要：《实现电动汽车快速充电教程》从技术层面深入探讨驱动下一代电动汽车充电系统的架构设计与相关器件。重点涵盖兆瓦级电动汽车充电技术背后的设计挑战与创新、分立式方案和功率集成模块(PIM)方案如何助力构建可扩展、高效且可靠的快速充电基础设施。我们已经介绍过兆瓦级充电系统架构、双有源桥的应用前景等，本文将介绍电动汽车充电桩的电压等级分类、现代电动汽车充电桩的规格概览、超快充电技术突破等。

(一) 电动汽车充电桩的电压等级分类

2023年2月，美国联邦公路管理局(FHWA)将联邦政府支持的充电桩类别精简为三个，并按电压等级进行细分。针对其中两类较低电压充电桩，官方强制要求统一使用SAE J1772(及国际标准IEC62196-1)规定的单一端口连接配置。

下表列出了FHWA和交通部(DoT)目前批准的三类EVC充电桩之间的区别。这里，“PHEV”指插电式混合动力电动汽车，“BEV”指纯电动汽车。

需要注意的是，出于安全考虑，高压充电过程并非像给油箱加油那样线性地注入电流。当电池电量耗尽或接近耗尽时，现代充电系统会以恒定功率(CP)模式开始充电，以稳定且相对较快的速率输送电力。当充电量接近80%时，系统会过渡到恒压(CV)模式，以降低输电速率，同时避免导致电能质量下降的谐波失真。模式之间的转换并非瞬时完成。各厂商研发了专门的CP-CV算法，以匹配自家车辆的储能特性。

(二) 现代电动汽车充电桩的规格概览

电动汽车充电桩虽按电压分为三类，但常见的外形尺寸有四种，每种尺寸都与其典型的安装环境和使用场景相匹配。

壁挂式直流充电盒适配1级充电器，可接入常见的120V单相家用电源。对于这种外形尺寸，自然风冷即可满足散热要求。

相反，兆瓦级充电桩必须采用液冷，这给其设计带来了一些限制。这种充电桩专为三相电源设计，由于电压极高，必须确保其能够在-45℃至+55℃的温度范围内正常运行。

介于这两种外形尺寸之间的是面向2级中端市场的充电桩。直流快速充电桩(DCFC)采用三相电源，最高支持350kW的充电功率。超快速充电桩可被视为兆瓦级充电桩的微缩版，不仅依赖液冷散热，而且保留了兆瓦级充电桩通过模块化设计实现可扩展性的能力。

(三) 超快充电技术突破

目前生产的大多数电动汽车都配备了车载充电器(OBC)。兆瓦级设计使得充电站内支持高功率车外充电器在理论上变得可行。虽然此类设计正在考虑之中，但就目前而言，电动汽车行业已计划在所有级别的车辆中配备OBC。

然而，OBC为中小型电动汽车充电的能力相当有限。OBC通常依赖交流充电，最大额定功率为22kW。DC-FC系统将完全绕过OBC，直接向电池提供直流电，额定功率不低于50kW，很可能大于400kW。

这一发展或将推动电动汽车的普及率达到“临界规模”，从而真正融入日常生活。汽车锂离子电池的充电时间一般非常长。半小时甚至更短的时间，或许是高速公路旅行者和运输行业工作者可接受的补能时间。缩短充电时间不仅可以提升电动汽车的普适性，而且在石油燃料逐步退场的背景下，还能缓解充电站的排队压力——这也是加油站运营商关注的重点。

资料来源：Yolé Group

(四) 从分立器件到模块

随着充电分级逐渐成为行业常态，不同等级之间的一个重要区别性特征将体现在对半导体的使用上。壁挂式充电盒和快速充电器通常采用定制化设计，并主要使用分立半导体器件。超快充电桩、兆瓦级充电桩和一些直流快速充电桩已经转向功率集成模块(PIM)。每个PIM通过高密度、高效率的封装，集成了大功率三相逆变器所需的大多数器件，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)，但不含栅极驱动器。

例如，安森美(onsemi)的NXH011T120M3F2PTHG SiC PIM内置一个11Ω SiC T型中性点箝位转换器(TNPC)MOSFET。在结温TJ为25℃时，其额定最大电压为1200V。在栅源电压VGS为18V、漏极电流ID为70A的条件下，其典型导通电阻RDS(on)低至11.9mΩ。此外，该模块集成了一个5kΩ热敏电阻，并采用直接键合铜的高性能衬底(HPS DBC)。它适用于半桥DC/DC转换器拓扑，并采用F2PIM封装，便于系统集成。

本教程稍后会阐明其中一些术语的含义。现在只需知道，正是由于将PIM集成到充电桩设计中，充电桩才能在电源转换技术持续演进的背景下，实现更高程度的可升级性。

未完待续，后续推文将陆续介绍分立组装与模块组装的比较、兆瓦级充电的可行性实现路径等。