電動(dòng)汽車沒電時(shí)需要充電，常用的充電樁有兩種，一種是交流充電樁，一種是直流充電樁。

1.充電樁的充電步驟

由于車輛動(dòng)力電池中的高壓電是直流電，而我們生活、商業(yè)和工業(yè)用電是交流電，交流電是不能直接給動(dòng)力電池充電的，要想給動(dòng)力電池充電，必須要先轉(zhuǎn)換為直流電！

交流充電樁的充電槍雖然連接到了車上，但實(shí)際上不是直接連到動(dòng)力電池，而是先連接到車內(nèi)的車載充電機(jī)OBC，OBC的作用就是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，OBC處理后會(huì)在車輛內(nèi)部連接到動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

直流充電樁由于輸出的是直流電，所以它是通過車輛的插座直接與車內(nèi)的動(dòng)力電池連接的。但是由于直流充電樁的電能來源也是交流電，所以在直流充電樁的內(nèi)部也是需要進(jìn)行交流和直流轉(zhuǎn)換處理，相當(dāng)于直流充電樁內(nèi)部也有一個(gè)類似于車輛OBC的一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置。

簡單的說，交流充電樁與直流充電樁的充電步驟是一樣的，第1步是交流直流轉(zhuǎn)換；第2步是直流充電。它倆的區(qū)別就是1個(gè)在車內(nèi)（OBC）進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，1個(gè)在車外（充電樁）進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換。

充電樁的充電過程框圖

既然兩種充電樁的充電步驟是一樣的，只是交直流轉(zhuǎn)換的位置不一樣，為什么充電速度不一樣呢？我們先了解下直流充電樁的工作原理。

2.直流充電樁的工作原理

直流充電樁的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與車內(nèi)的OBC一樣，也是采用兩級(jí)架構(gòu)，前級(jí)PFC+后級(jí)DC/DC。

前級(jí)PFC用于功率因數(shù)校正，同時(shí)把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ?span style="font-weight:600;">直流電；后級(jí)DC/DC電路從PFC母線取電，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離功能。

直流充電樁電路采用兩級(jí)架構(gòu)

前級(jí)和后級(jí)電路中主要是用于電壓電流轉(zhuǎn)換的大功率器件，這兩部分通過控制器相關(guān)電路進(jìn)行控制，因此硬件電路主要由功率部分和控制部分組成。

控制部分由檢測電路與參數(shù)反饋電路構(gòu)成，通過PWM信號(hào)控制調(diào)節(jié)高壓回路中開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出電流和電壓值以及故障監(jiān)測等功能。

2.1 PFC

直流充電樁需要做PFC（Power Factor Correction）功率因數(shù)校正的原因是由于電路中電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失。

相位差是由于感性器件與容性器件的特性造成的，電容上的電流相位會(huì)超前電壓，而電感上的電壓相位會(huì)超前電流。

如果是純電阻器件，就不會(huì)有相位差，所以PFC功率因數(shù)校正的目的就是使負(fù)載更接近一個(gè)純電阻的負(fù)載，提升電網(wǎng)質(zhì)量。

PFC電路通過使用電感和控制電路會(huì)對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，把電流從脈沖的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電壓同頻同相的變化。

典型的PFC解決方案因電網(wǎng)輸入交流相數(shù)和輸出功率等級(jí)不同而有所不同。

對(duì)于單相交流輸入模塊，可采用傳統(tǒng)升壓、無橋升壓或圖騰柱方案。

直流充電樁使用的是三相電，典型的電路是三相無橋PFC電路。電路中的開關(guān)管可由NMOS、IGBT或者SiC MOS組成，NMOS的耐壓值偏低，SiC的耐壓值高，可達(dá)1200V，但是價(jià)格高昂。

目前常用的是IGBT，IGBT是Insulate-GateBipolar Transistor的縮寫，表示絕緣柵雙極晶體管，它是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，它與MOSFET場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)功能相似，但是可控制的電壓范圍更高，IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。所以IGBT的耐壓值也很高，但是由于價(jià)格比SiC便宜很多，所以性價(jià)比更好。

三相無橋PFC

上圖中的三相無橋PFC由3個(gè)電感（L1-L3）、6個(gè)IGBT(T1-T6)和1個(gè)濾波電容(C1)組成。通過IGBT開關(guān)的通斷，可以完成交流直流的轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)校正和升壓的功能。

利用開關(guān)管進(jìn)行交直轉(zhuǎn)換的整流功能很容易理解，功率因數(shù)校正的原因和方法也做了說明。但是PFC電路為什么還有升壓的作用呢？

這主要還是電感的作用，我們知道電感電流不能突變，只能緩慢變化。這是由于電感電流變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)電感電流增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流變化方向相反的感應(yīng)電壓，以阻止電流的增加；當(dāng)電感電流減小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流變化方向相同的感應(yīng)電壓，以阻止電流的減小。感應(yīng)電壓的大小與電感的值和單位時(shí)間內(nèi)電流的變化率有關(guān)。升壓電路也稱為Boost電路，如下圖所示：

Boost電路原理圖

當(dāng)開關(guān)S1閉合，S2斷開時(shí)：

輸入電源VIN中的電流通過電感L和開關(guān)S1形成回路1，電感L中的電流會(huì)以固定的斜率由0變到最大值，即電感電流增加，電感開始充電，電感兩端會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢E1（注意電感內(nèi)部電流方向是由-到+）；

當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí)，S2閉合時(shí)：

由于電感L中的電流不能突變，電感電流會(huì)繼續(xù)沿原來的方向流動(dòng)，即通過S2流向電容C，由于電容C的阻抗作用，電感電流會(huì)減小，電感兩端會(huì)產(chǎn)生防止電流減小的反向電動(dòng)勢E2，這個(gè)反向電壓與輸入電源VIN的方向一致，形成串聯(lián)，此時(shí)輸出電壓VOUT=VIN+E2，VOUT大于VIN，實(shí)現(xiàn)了升壓。

實(shí)際電路中會(huì)把這里的開關(guān)換成半導(dǎo)體可控開關(guān)，通過軟件控制PWM的方式來控制感應(yīng)電壓的大小，感應(yīng)電壓與輸入的三相電壓串聯(lián)疊加后，就起到了電壓的放大作用。

2.2 DC/DC

DC/DC電路的目的1個(gè)是實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，另外1個(gè)是實(shí)現(xiàn)電氣隔離。電氣隔離的功能是通過變壓器實(shí)現(xiàn)的，變壓器分為原邊和副邊。

原邊DCDC轉(zhuǎn)換通常采用LLC、CLLC或移相全橋 (PSFB) 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。  

LLC是由傳統(tǒng)的LC諧振電路演變而來，將LC諧振電路中原邊的磁化電感減小,等效成并聯(lián)一個(gè)Lm,就成為LLC諧振電路。

LC諧振轉(zhuǎn)變?yōu)長LC諧振

LLC在大于諧振頻率點(diǎn)后是降壓，在小于諧振頻率點(diǎn)時(shí)可以升壓，電壓輸出可升可降，調(diào)節(jié)起來非常方便。

原邊整流幾乎都采用某種形式的全橋開關(guān)。因此，雖然元件和變壓器可能有所不同，但4開關(guān)是原邊 DCDC 轉(zhuǎn)換中最常見的方法。

原邊整流 - 全橋 LLC

全橋LLC由一個(gè)全橋逆變電路和諧振電路組成，其中的諧振電路中包括諧振電感Lr、勵(lì)磁電感Lm和諧振電容Cr組成，諧振電路后面與變壓器的原邊相連。

副邊整流二極管橋-單向

在變壓器的副邊，最簡單的解決方案是使用二極管橋進(jìn)行整流。 如上圖中是由4個(gè)二極管構(gòu)成的全波不控整流電路，與輸出電容C連接后接入負(fù)載，由于二極管的單向導(dǎo)通性，所以電流方向是單向的，僅從電網(wǎng)流向到車輛電池。

如果將二極管改為MOSFET的全橋解決方案可實(shí)現(xiàn)雙向充電，也就是不僅可以實(shí)現(xiàn)充電樁向車輛充電，也可以實(shí)現(xiàn)車輛向充電樁充電。電動(dòng)車可以在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)吸納電能，在電網(wǎng)負(fù)荷高時(shí)釋放電能。

副邊整流4開關(guān)全橋-雙向

雙向充電需要具有將動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的能力，也就是逆變器的功能。

逆變器電路

3.充電槍接口

直流充電樁與交流充電樁連接到車內(nèi)的位置不同，車上的插座不同，充電樁上的充電槍接口也不同，所以兩種充電槍不能互插，必須分別對(duì)應(yīng)車輛的直流和交流充電接口連接。

直流充電槍是9孔的接口，包括2個(gè)大孔和7個(gè)小孔。

直流充電槍接口端子定義

直流充電槍與車輛的插座連通后，通過DC+/DC-給車輛充電。充電槍連接后，會(huì)喚醒車輛中的控制器，車輛是如何檢測到充電槍連接的呢？

接口中的CC1就是充電槍的連接檢測點(diǎn)，CC1內(nèi)部通過下拉電阻和開關(guān)與地相連，CC1同時(shí)通過上拉電阻與控制電源相連，按下槍頭按鍵時(shí)，開關(guān)打開，松開槍頭按鍵時(shí)，開關(guān)會(huì)閉合，通過檢測CC1的電壓變化就可以判斷充電槍是否連通。

連通后，充電樁中的控制器通過充電槍上的S+/S-與車內(nèi)的CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，充電樁內(nèi)部先進(jìn)行絕緣檢測，車輛內(nèi)部再進(jìn)行絕緣檢測，雙方確保安全后，才會(huì)開始充電，充電過程中，車輛向充電樁發(fā)送電池充電需求的參數(shù)，充電樁會(huì)根據(jù)該參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整充電電壓和電流，并相互發(fā)送各自的狀態(tài)信息，這就是充電的基本過程。

此外，A+和A-可以輸出12V的輔助電壓，為車輛中的低壓控制器供電。

交流充電槍接口端子定義

交流充電槍的接口形狀與定義與直流充電槍完全不同，它是7孔的接口，包括5個(gè)大孔和2個(gè)小孔。三相交流電時(shí)使用L1、L2和L3，單相交流電時(shí)只使用L1,L2和L3為空。

4.功率與速度

充電樁的輸出功率以“瓦特”(W)為單位，表示單位時(shí)間內(nèi)充電器能夠提供的能量。所以是決定充電速度的關(guān)鍵因素之一，高功率的充電樁能夠在相同時(shí)間內(nèi)傳輸更多的電能，因此充電速度更快。

根據(jù)功率的計(jì)算公式，即P = V × I，可以看出，要想實(shí)現(xiàn)大功率輸出，就得要求充電樁輸出的大的電壓和電流。

所以要增大功率，可以提高電壓或電流，但是電流增大時(shí)，電路中的熱損耗會(huì)增加，導(dǎo)致發(fā)熱，而電池過熱會(huì)影響電池的壽命。所以在一定的功率的情況下，可以盡量增加電壓，這樣電流就可以相應(yīng)減少，從而減少電路中產(chǎn)生的熱量，延長電池的壽命。

所以也可以認(rèn)為是充電樁的電壓越高，充電速度越快。

直流充電樁的功率通常在60kW以上，有的充電樁功率甚至可以達(dá)到200kW或更高，理想狀態(tài)下，可以在20-150分鐘內(nèi)將電池充至滿電狀態(tài)。
而交流充電樁的充電功率一般較低，通常為7kW左右，充電時(shí)間較長，通常需要8-15小時(shí)才能將電池充滿。對(duì)比來看，直流充電樁的充電速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交流充電樁。

5.功率與體積

直流充電樁由于其內(nèi)部包含交直流轉(zhuǎn)換、升壓電路，組成的模塊較多，所以體積自然會(huì)比交流充電樁大。

但是具有同樣交直流轉(zhuǎn)換、升壓電路的車內(nèi)OBC系統(tǒng)卻沒有那么大，這是為什么呢？

這是因?yàn)橹绷鞒潆姌吨邪撕芏?span style="font-weight:600;">大功率器件：

1）大功率器件通常包含更多的繞組和磁芯材料。例如，變壓器在功率增大時(shí)，線圈的截面積和匝數(shù)也會(huì)增加，磁芯需要更多的鐵芯材料來承受更強(qiáng)的磁通量。

2）由于大功率器件需要承受更高的電壓和電流，因此需要更多的絕緣材料和絕緣層數(shù)來保證電氣安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

3）大功率電路中的大電流會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，為了有效散熱，需要增加散熱器的大小和數(shù)量，以確保器件在高溫下仍能正常工作。

以上原因?qū)е?span style="font-weight:600;">直流充電樁的體積很大，遠(yuǎn)大于交流充電樁和車內(nèi)的OBC系統(tǒng)。

直流充電樁與交流充電樁的大小對(duì)比

車輛內(nèi)部由于空間有限，無法放置太大、太多的功率器件，所以車內(nèi)的OBC系統(tǒng)的功率比外部直流充電樁的功率要小很多，所以O(shè)BC的功率小是充電慢的直接原因，而車內(nèi)的空間限制才是交流充電樁比直流充電樁慢的根本原因。

6.小結(jié)

交流充電樁本身其實(shí)并不具備充電功能，只是提供一個(gè)電力輸出的平臺(tái)，真正的充電過程是由車內(nèi)的車載充電機(jī)OBC完成的。

交流充電樁由于外部電源和車內(nèi)空間限制，整體的功率比較小，所以充電時(shí)間比較長，只能提供慢充的功能，適合夜間電網(wǎng)低谷時(shí)段充電。它的優(yōu)點(diǎn)是適合家用，對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電池的壽命影響也比較小。

直流充電樁內(nèi)部集成了充電機(jī)，體積不受限制，可提供大功率輸出，充電時(shí)間短，可提供快充的功能，適合車輛運(yùn)行期間需要進(jìn)行快速充電的場景。雖然通過提高電壓，可一定程度上減少電流，但是電流的絕對(duì)值還是很大，對(duì)設(shè)備要求較高，對(duì)電池的壽命也有一定影響。