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直流（DC）快速充电站主要可以在公共场所找到，而交流（AC）充电概念则主要用于私人家庭。然而，现在有了直流电墙盒，就有了一个强大的家庭充电选择，其效率因使用SiC半导体而得到提高。
为了保护气候，减少温室气体排放是至关重要的。除其他外，电动汽车在减少这些排放方面发挥着重要作用。电动汽车（EVs）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，就有越多的充电桩，而基础设施的改善反过来又刺激了一些人改用电动汽车。此外，不断增长的电动汽车推动了新的和更强大的电池的发展，降低了电池的成本，使制造具有更大容量和范围的车辆成为可能。为了开发具有更高的功率密度的电池，高的充电能力是必不可少的，特别是如果要在一个地方同时为大量的车辆充电。出于这个原因，新的充电概念正在被开发。然而，特别是在城市和郊区，越来越多的电动汽车和充电站对电网的稳定性是一个负担。因此，需要一些概念来确保持续的稳定性。例如，智能和联网的充电点适合通过帮助优化和集中管理充电来防止波动。通过双向充电，电动汽车的电池也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。这些充电点通常在交流电的基础上运行，功率输出在3.7千瓦到11千瓦之间；在极少数情况下，功率为22千瓦。因此，给电动车的电池完全充电需要几个小时。然而，要使用这些站点，电动车需要一个集成的车载充电器（OBC）。交流充电站也被用于公共停车场或购物中心。这种类型的交流充电站通常有高达22千瓦的输出功率。因此，根据OBC的充电功率，100千瓦时的电池的充电时间约为5小时。
如果电池需要快速充电，快速充电柱是正确的选择。它们的额定功率很高，在50到350千瓦之间，主要用于公共停车场和大型充电站。根据电池的大小，使用快速充电站为电动车充电需要不到一个小时，如果使用超快速充电站，时间会进一步缩短到20分钟。与交流版本相比，直流充电站有一个集成的转换器，将来自电源的交流电转化为直流电。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能从使用直流电的固定式充电站中受益。例如，为你自己的四面墙提供的变体是直流电墙盒（图1），其输出功率为22千瓦。
直流墙盒
图1：在家里补充燃料。直流壁挂炉是为您自己的车库提供的快速充电解决方案，并可与您的家庭光伏系统相连接（图片：罗姆半导体）。
直流电墙盒可以很容易地安装在你的车库里，它很容易与光伏（PV）系统相结合。光伏系统产生直流电，可以通过DC/DC转换器直接向车辆的电池充电。此外，还可以安装储能系统（ESS），使多余的能量得到利用。储能系统与充电站、电动和混合动力汽车以及光伏系统相结合，形成一个独立的系统，使能源需求和发电得到优化。ESS也是回收电动车旧电池的理想选择。尽管它们不再适合作为车辆的储能设备，其容量在70%至80%之间，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电力流，从而实现与电网的双向有源电力交换。因此，电动汽车可以用于负荷控制，从而优化电网的负荷。如果发生短缺，储存在车辆电池中的能量会回流，稳定电网（V2G）。
对直流的要求
在某种程度上，用户行为对充电概念的发展具有重要意义。然而，最终，直流充电站是否会在私人家庭中被广泛接受，取决于OEM厂商。最关键的因素是OBC，它需要被整合到每辆车上，以便与交流充电站一起充电。因为汽车中使用的部件的空间和功率密度有技术限制，所以OBC的充电功率是有限的。当用直流电充电时，转换器不集成在电动车上，而是直接集成在充电站中，因此在电动车的结构中可以节省部件，生产价格也会下降。同时，有更多的空间可以用来使车辆本身更有效率。最终，车辆重量的节省也意味着能源的节省，这反过来又为延长续航时间提供了可能。
更高的功率密度是通过选择适当的拓扑结构和适合功率水平的组件来实现的。由于其价格-性能比，硅IGBT在今天的电动汽车中占主导地位。SiC MOSFET的成本可以在系统层面上通过节省其他元件来补偿，因为基于SiC MOSFET的转换器可以在比硅IGBT的转换器更高的开关频率下运行。
此外，SiC具有优良的材料特性，例如正向电阻的增加最小。与硅元件相比，这可以实现更大程度的封装小型化和能源节约。基于SiC的元件可以在更高的环境温度下运行，并实现非常高的效率。充电站也可以配备不同类型的SiC MOSFET。Rohm已经在系列生产中实现了这一点。
直流充电站的拓扑结构
事实上，充电站确实由不同的拓扑结构组成。充电系统通常由两个转换阶段组成。一个AC/DC级将来自电源的交流电压转换为直流电压，然后由DC/DC级将其与电池电压相适应。DC/DC阶段还可以调节充电电流，并提供安全操作所需的电隔离，如果在主侧尚未实现的话。
双向：3级T型PFC
双向：2级PFC
单向：3级维也纳PFC
图2：直流充电站的三层拓扑结构。
三级拓扑结构比两级拓扑结构需要更多的元件，并且具有更高的门控复杂性（特别是在双向配置中），这可能导致系统尺寸增加。然而，三电平解决方案提供了一个减少总开关损耗和平衡的EMC特性。
相比之下，两级拓扑结构中的元件数量明显减少，系统尺寸也可以缩小。通过使用现代SiC技术，低开关损耗和–因此–高效率也可以通过两级拓扑结构实现。因此，SiC技术是直流电墙盒的理想选择，即使充电电压在200V至800V之间。
拓扑结构的选择取决于快速充电站的各自隔离要求。如果自然电压已经被隔离，就不需要复杂的DC/DC电路，这通常用于所谓的 "充电公园"。否则，直流充电站通常使用与OBC类似的拓扑结构，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，对于私人家庭或公共充电点来说，这几乎是不值得的。出于这个原因，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。
结论
与交流充电站相比，直流充电站具有更高的功率密度，使缩短充电时间成为可能。此外，直流充电站技术意味着电动汽车内部有更多的空间，因为转换器的电源直接位于充电点中。快速充电站（DC）在公共场所特别常见，但也有适合私人家庭的DC充电概念，如DC墙盒。这很容易安装在自己的车库里，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会真正流行起来，掌握在OEM厂商手中。他们必须确保转换器被集成在充电站中，而不是作为车载充电器放在车辆中。节省的空间可以更有效地用于使车辆更有能力。
作者：Muzaffer Albayrak
来源：powerelectronicsnews
