电动汽车充电桩中分立组装与模块组装的比较

《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

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

本文将介绍分立组装与模块组装、兆瓦级充电的可行性实现路径、液冷难题等。

分立组装与模块组装的比较

1 级充电桩和部分 2 级充电桩最有可能在设计中使用分立半导体器件。 但是， 高压充电桩需要采用散热性能更优的器件， 分立器件与 PIM 器件散热方式的对比清晰地说明了这一点。

如图所示， 各示意图的上半部分为两种封装的芯片至散热器的机械组装剖面， 同时标出了结温测量点。 下半部分显示了每种机械组装的热电气模型。 这里， 功率流用电流表示， 温度用电压表示。

对这些电气状态进行建模时， 分立组装的引脚漏电阻参数 (PON 37W – 49W) 远高于模块组装 (18W – 24W)。 分立封装不提供电气隔离。 因此， 即使手动引入热防护加固措施， 也不可能从分立封装中导出 40W 以上的热损耗。 在所示位置，分立组装的理论热结温升幅 ΔTJH 可能高达 290°C， 而在对应位置， PIM 的温度升幅仅有 38°C。 对于高压应用而言， PIM 模块封装可能是唯一选择。

兆瓦级充电的可行性实现路径随着全球重型车辆向兆瓦级充电迈进， 现有的充电标准可能不再适用。2024 年 8 月， 特斯拉推出了 Tesla Semi 半挂卡车车队， 并联合百事可乐展开了全美范围的测试。 报告称其 EVC 效率为每英里 1.64 千瓦时 (kWh/mi)。 反向推算可知， 每千瓦时可行驶约半英里。 因此， 为了达到 250 英里的目标续航里程， 电池容量需要接近 500 kWh。 ORNL 的兆瓦级系统要在半小时内将特斯拉半挂卡车电池充电至 80%， 必须能够提供 1.2 MW 的 EVC 功率。

ORNL 的设计确实允许充电系统通过单一电网接入点提供高达 16 MW 的功率，并且每个接入点支持多个端口。 然而， 这些端口不仅会连接特斯拉半挂卡车等负载， 还会连接备用储能系统 (ESS) 和光伏系统 (PV)。 右侧表格列出了各端口的充电要求。 为了同时满足所有这些要求， 充电系统需要使用宽禁带 2 kV SiC MOSFET(例如安森美(onsemi)的 M3S 系列) ， 作为其 DC-DC 电源转换系统的关键开关元件。

液冷难题

令许多人感到惊讶的是， 电动汽车充电系统在充电过程中， 最热的部分竟然是连接器。 如今， 所有政府认可的国际标准 EVC 连接器都必须配备液体冷却液的进出口管。 该冷却系统是一个闭环系统， 冷却液永久密封在其管道和收集罐中。 没有液体从外部注入。

一种安全、 低导电性、 不可燃且具有良好导热性能的流体(如乙二醇/水溶液) ，通过电站内部的独立泵送装置循环流经冷却回路。 与充电线缆平行布置的管道直通连接器， 可直接接触温度最高的部位。 这种接触会吸收热量， 将其从连接器带走， 再沿电缆组件返回， 最终传导回充电站。 在充电站中， 热量由主动冷却系统处理， 例如强制空气通道， 或在某些情况下使用第二个封闭液体回路。 该系统不仅保护充电桩， 还可以保护与其连接的车辆。

液冷是目前为止改善结温的最佳方法， 不仅能够延缓功率器件的老化效应， 还能增强焊点和引线键合的强韧性。 然而， 在充电站中， 除了已有的回路之外， 再增加一个独立的液体循环回路来保护电源转换器电子元件， 可能并不现实。

可扩展性权衡

空气驱动的散热系统因操作简便、 零部件少、 易于集成等优点而备受赞誉。 另外， 相较于冷却液泄漏， 人们对空气泄漏危险性的担忧要小得多。

IEC 外壳防护标准 IP20 规定， 电力设备组件需预留自然通风通道， 而另一项 IEC 标准 IP65 则要求为强制通风通道预留空间。 然而， 为使这些通道有效， 这些标准要求使用较粗的铜线， 从而增大与通道气流接触的表面积， 但这也会导致电源系统的体积和成本增加。 即使抛开标准不谈，风冷系统据称也是充电设备中故障率最高的组件之一， 常导致系统失效并产生过大噪声。

据报道， 有些 EVC 厂商正在研发所谓的“液体接口” 。 这种接口能够让围绕功率模块的液体闭环系统实现扩展， 并有可能与系统中其他位置的循环泵连接。

不过， 业界普遍认为， 对于采用分立半导体器件的高压充电桩而言， 任何液冷系统都无法有效散发其产生的热量。 最终在市场上胜出的散热架构， 需要在热完整性和可升级性之间取得最佳平衡， 并且设计中必须纳入 PIM。 至少在快速充电 EVC 普及之前， 系统的不同组件可能会搭配不同的闭环散热机制， 这种方式完全可行。

未完待续，后续推文将陆续介绍功率因数校正 (PFC) 级、谐振电源转换级、打造更快速电动汽车充电系统的安森美方案、现代地面交通的演进等。