新能源汽车充电知多少？

随着新能源汽车的普及，越来越多的车主在选择车辆的时候会关注补能便捷性的问题：这个车有没有快充？家里要不要安装慢充桩？高速公路快充站要不要排队？正如麦肯锡在《2024麦肯锡中国汽车消费者洞察报告》中分析的，“电动汽车势不可挡，补能焦虑渐成隐忧：新能源汽车受众在制定购车决策时愈发考虑车辆性能本身，而非单纯考虑牌照因素；同时，中国消费者的新能源汽车接受度出现史上首次下滑，凸显了补能基础设施优化对新能源汽车长期可持续发展的极端重要性。”

为了弄清楚电动汽车的充电技术和优劣势，作为充电小白的笔者查阅了一些综述和研报，今天就和大家分享下充电那些事儿。

1. 车载充电器

电池充电器可以安装在车辆内部(车载)或外部(车载)。车载电池充电器(OBC)受到尺寸、重量和体积的限制，因此它们通常与1级和2级充电器兼容。它们通常具有单向功率传输能力；然而，在某些情况下，可以实现双向功率传输。图1显示了电动汽车充电系统的典型架构，其中包括车载充电器和车载充电器。

1.1 双阶段

车载充电器通常由两个阶段组成：前端AC-DC阶段和后端DC-DC阶段。前端整流器通常包含一个升压功率因数校正(PFC)转换器，以实现高功率因数和低谐波失真。整流级可以由半桥、全桥或多电平二极管桥来完成。半桥整流器更便宜，因为它包含较少数量的二极管/开关，全桥整流器更复杂，但组件受到更低的应力。如果相反，更高的额定功率应该达到一个好的选择，为交流-直流转换器是一个多电平配置。图2显示了一个带传统PFC升压转换器的全桥二极管整流器。通过用有源开关代替所有的二极管，可以获得双向功率流。

在PFC变换器中，交错升压变换器越来越受到人们的青睐。如图3所示，交错升压变换器仅由两个并联的升压变换器组成，工作180°失相。这种交错的主要目的是通过减少输入电流纹波来增加输出电流，从而减少输入电磁干扰(EMI)滤波器和升压电感的总体体积。另一方面，交错意味着增加成本和设计的复杂性。

前端变换器后面是第二个dc-dc变换器。谐振功率变换器常用来执行这第二阶段，因为它有可能同时实现更高的开关频率和更低的开关损耗。在所有谐振变换器中，如图4所示的LLC结构由于其优于其他谐振拓扑结构的几个优点而引起了人们的极大兴趣，例如：(1)在零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)下工作的能力，(2)包含高频变压器，它在电网和EV之间执行电流隔离，(3)宽输出电压调节是可能的，(4)输出滤波器仅由电容器组成，而不是在LC滤波器中。

1.2 单阶段

如果将交直流整流器与dc-dc变换器相结合，则得到单级电池充电器。如果需要更低的成本和尺寸，则使用这种电池充电器的拓扑结构，事实上，单级电池充电器允许消除一些笨重和昂贵的组件，如电感和直流链接电容器，而不是两级充电器所需要的。然而，缺点是具有非隔离转换器的单级电池充电器的转换率有限，这限制了它们在大输出电压范围内的应用。相反，如果存在高频隔离，如在中提出的OCB配置中，则整流级产生的低频分量通过高频变压器，导致大的磁化电流。此外，为了实现功率因数校正，可能需要大量的二极管和有源开关，从而增加了配置的复杂性，从而降低了整个充电器的可靠性。

1.3 多功能

最后一种提议的OBC是所谓的多功能OBC。在这种类型的电池充电器中，一些组件是共享的，以实现不同的目的。这样，更小、更轻的设计可以达到更高的能量效率。该多功能电池充电器可在车辆行驶状态下，通过推进电池对辅助电池进行充电，起到OBC和低压dc-to-dc转换器(LDC)的双重作用。如图5所示，给出了具有相同功能的类似配置。

2. 车外充电器

3级充电器，由于其额定功率，通常安装在车辆外部(车载)。由于根据IEC EN 61851 - 23标准，必须保证交流供电电路和直流输出电路之间的电流隔离。车外充电系统通常由两个阶段组成：面向电网的AC/DC转换器，随后是为电动汽车电池提供接口的DC/DC转换器。基于转换器拓扑结构，这两个级都可以允许单向或双向功率流。

2.1 双向AC/DC变换器

目前应用最广泛的双向AC/DC变换器之一是三相LCL有源整流器，其方案如图6所示。这种变换器的优点是低谐波输入电流，双向功率流和功率因数(PF)调节。

2.2 单向AC/DC变换器

在车外充电系统中最常用的单向AC/DC变换器是维也纳整流器。它具有各开关电压应力小、效率高等优点。然而，主要的限制是受限制的无功功率控制和需要直流链路电容电压平衡。在文献中，作者提出了一种25 kW的车载充电器原型，由一个单开关维也纳整流器组成，如图7所示，四个三电平dc/dc模块并联连接。

2.3 双向DC/DC变换器

在双向功率流情况下使用的主要隔离DC/DC变换器是双有源电桥(DAB)，如图8所示，及其变体(谐振DAB，多级DAB)。特别是，由于新型宽带隙半导体(Gan/SiC)器件的能力，这种拓扑结构正在引起人们的兴趣，这种器件能够提高转换器的效率和功率密度。

2.4 单向DC/DC变换器

如果需要单向功率流，在大多数情况下，选择LLC谐振变换器作为AC/DC变换器的直流总线和EV电池之间的电源接口，因为它比其他谐振拓扑具有优势，例如：能够在零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)下工作，它允许宽输出电压调节，输出滤波器仅由电容器组成，而不是电感和电容器(LC)滤波器。

用于单向车外充电器的另一种单向DC/DC变换器是移相全桥变换器，其方案如图9所示。该变换器具有功率密度高、磁干扰小、效率高等优点，非常适合在电池充电器中实现。

3. 充电桩

3.1 交流与直流

新能源汽车充电桩可为直流快充和交流慢充两种，分别适用于公用充电站与家庭车位应用场景：在电动汽车充电过程中，通常需要将来自电网的交流电转换为直流电；该直流电的电压范围应该与动力电池的电压范围保持一致，而电流大小则决定了充电速度快慢。按照供电方式不同，充电桩可划分为直流快充桩与交流慢充桩两大类型。其中，直流快充桩可通过充电桩内置的整流器将电网交流电转化为大电流的直流电，对电动车进行充电，具备充电速度快的优点，是公共充电站的主流技术路线；而交流慢充桩则是直接将交流电连接至电动车，再借助车载充电机将交流电转化为直流电，由于车载充电机体积与重量有限，无法配置过多充电模块提升功率，因此交流慢充桩输出功率通常低于10kW，充满电池所需时间也相对较长。但交流充电过程基本不会产生高温，对电池损害较小，因此这种充电方式更加适用于家庭停车位。

3.2 产业链

充电桩产业链大致可以分为三个环节。充电桩产业链按照产业分工不同，大致可以分为上中下游三个环节。产业链上游是充电桩部件制造商，大多为标准化电气产品，例如充电模块、电机、芯片、接触器、断路器、外壳、插头插座、线缆材料等；产业链中游是充电桩集成制造和运营，负责充电桩和充电站的搭建和运营，提供充电桩服务，能够统筹上下游及满足客户需求，提供有效合理的整体运营方案。中游建设运营是重资产行业，前期需要大量的资金建设，资金依赖性较高。并且直接面对下游消费者，因此是产业链核心环节；下游是新能源车企，包括新能源乘用车和商用车制造企业。近几年随着行业快速发展，各个环节之间的边界也变得模糊，一些硬件制造商为了能提供多种功能和服务，也会涉及建桩运营业务，故产业链中上游角色会存在重合下游新能源车企和充电服务运营解决商等。

充电桩主要由五大部分组成。充电桩主要由五部分构成，分别是：外壳、充电枪、主控板、充电模块和其他配套元件。其中，充电桩外壳主要作用是固定/保护内部元器件；充电枪主要作用连接汽车充电接口给汽车充电；主控板是充电桩的大脑，控制整个充电桩的运营和数据；充电模块主要作用是将交流电转直流电，同时根据汽车BMS 系统给汽车电池输送指定的电流和电压给电池充电。一个充电桩可以同时装多个充电模块，充电模块是充电桩核心模块。2022 年直流充电桩成本中，充电模块的占比较多，达到41%。其次分别为充电器(线)，外壳、主控板、接触器、继电器、电表，占比分别为21%、14%、7%、2%、2%、1%。

充电模块是充电桩核心模块。充电模块是充电桩中的核心部件，在充电桩中的成本占比较高。它主要由芯片、功率器件、电容、磁元件、PCB 等半导体元器件组成。在充电模块的成本占比中，功率器件是占比最高的核心器件，它能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变和整流等作用。

3.3 快充加速

直流快充或凭借效率优势，逐步提升其在公桩市场中的占比：根据国际能源署的数据，2018-2022年，全球公共充电桩建设规模持续上升，其保有量规模从2018 年底的53.40 万台快速增长至2022年底的267.90 万台；其中，慢充桩仍然贡献大部分增量，但快充桩新增装机量四年CAGR 达到75.23%，高于慢充桩64.80%的四年CAGR。随着电动车对续航里程要求的不断提高，市场对补能速度提出更高的要求，快充占比提升趋势逐渐显现。

高电压、大电流是未来发展趋势：对于相同容量的动力电池，充电桩充电速度快慢主要受到充电功率影响，而充电桩功率即为充电电流与电压的乘积，因此提高功率可以通过提升充电电压或者增大充电电流两条路径来实现。以特斯拉为代表的部分车企采用大电流快充方案，其V3超充桩充电电压为400V，但其峰值工作电流超过600A。但由于充电电流的提升会导致充电过程中较多的热量释放，因此这对充电设备的散热性能提出较高要求，通常需要配备成本更高的液冷方案；相较之下，热损耗更小的高电压方案或成为主流选择，目前部分高端车型已从400V电压平台升级至800V电压平台，但受到硅基功率半导体耐压能力限制以及电网容量不足等问题，当前新能源汽车厂商仍普遍采用400V电压平台架构。

快充技术对于散热要求提升，液冷应用有望增长。根据焦耳定律，发热量是电流平方乘以电阻，当电流每提升1倍，发热量便会增大4倍。因此，采用大电流快充会带来较多的发热，也对散热提出了较高要求，需要更高效的散热机制。冷却技术主要有液冷和风冷两种，其中液冷技术是目前快速散热的有效解决方案，它是指在线缆和充电枪之间添加一个冷却液的通道，冷却液在循环进出的过程中把充电过程中产生的热量带出，起到散热效果。液冷技术有以下几个优点：1）液冷技术能够减少线缆重量。常规充电枪为了降低线缆发热必须增加导线截面积，造成枪线较重，液冷充电枪由于散热性能好，线缆的截面积要求较低，进而减少线缆重量。2）液冷技术的密封性更好。传统风冷由于通过空气进行热交换，会将空气中的灰尘等带入充电桩内部，会导致设备寿命减少；液冷充电桩的密封性更好，对于充电桩的防护也越好。3）液冷的噪声更小。常规充电桩采用风冷充电模块，需要风扇运转散热，噪声较大。液冷技术通过液体流动进行换热，运行噪声较小。基于以上优势，液冷技术已在部分快充桩中实现应用，例如特斯拉V3超级充电桩采用液冷技术、华为全液冷超充站已在川藏南线正式上线等。未来随着快充渗透率不断提升，液冷技术应用有望迎来增长。

高电压较大电流技术具备优势。相比较大电流快充，高电压快充在散热方面具备以下优势：1）高电压能够降低系统能耗，在同等功率下，800V平台下的电流只需400V平台的一半，对应的发热量是400V平台的1/4，发热量更小，散热器件相对应也能减少；2）减少线束成本和重量；在同等功率下，800V平台的电流较400V减少一半，可以选用更小截面积的高压线束，能够降低成本和重量。3）提升整车续航里程。800V平台可以进一步压缩散热器件体积，节省出更多的空间，减轻整车重量，带来续航里程的提升。基于以上优势，国内很多车企，例如小鹏、埃安、长安等纷纷采用800V高压平台。

SiC功率器件将在800V快充中获得应用。在800V电压平台下，原来400V平台适用的Si基IGBT不再适用高电压路线。这是由于电机控制器会在直流母线电压基础上产生电压浮动，在450V直流母线电压下，IGBT 模块承受的最大电压在650V左右，若直流母线电压提升到800V，对应的功率器件耐压水平则需提高至1200V左右，需采用耐高压的SiC功率器件。此外，SiC能有效提高系统的整体效率，理想汽车表示，800V碳化硅技术可实现10分钟400公里的充电速度，与400V相比可节省15%左右的电量。

各大企业纷纷布局超充技术。800V快充由于在充电速率、续航里程等方面具备优势，受到各大车企的关注，纷纷推出了800V高电压快充产品。2022年7月，搭载800V高压快充平台的极狐阿尔法S HI版量产车交付。2022年8月，搭载800V高压SiC平台的小鹏G9上市，能够实现充电5分钟，续航增加200公里以上。2023年6月理想宣布，通过自研800V高压纯电平台和5C电池，可以实现充电9分30秒，续航400公里。今年6月上市的小鹏G6，基于小鹏800V高压SiC平台打造，能实现充电5分钟续航增加200公里。华为与奇瑞合作推出的智界S7搭载全新华为“巨鲸”800V高压电池平台，可实现充电5分钟续航215km。在充电服务方面，实现全国覆盖超过340个城市、4500个高速充电站、70万个公共充电枪，预计2024年底布局超过10万个华为全液冷超快充。

以上就是笔者对新能源汽车充电的一些信息搜集，希望能对大家有一些帮助。你认为电动汽车的快充达到什么水平，是可以消除里程焦虑的？请在投票区告诉我！