当前位置： 绝缘栅 >> 绝缘栅发展 >> 直流充电桩为何比交流充电桩充电更快
电动汽车在电量耗尽时，需要进行充电。市场上常见的充电桩主要分为两类：交流充电桩和直流充电桩。
.充电桩的充电流程由于电动汽车的动力电池中存储的是直流电，而我们日常使用的交流电无法直接为其充电，因此需要先进行转换。交流充电桩在充电时，其充电枪虽与车辆相连，但并非直接与动力电池相连，而是先与车内的车载充电机（OBC）相连。OBC的功能正是将交流电转换为直流电，转换后的直流电再在车辆内部流向动力电池进行充电。
而直流充电桩则不同，它直接输出直流电，通过车辆的插座与车内的动力电池相连。但值得注意的是，尽管直流充电桩输出的是直流电，但其电能来源仍是交流电。因此，在直流充电桩内部也进行了必要的交流和直流转换处理，这类似于在车辆内部配备的OBC转换装置。
总的来说，无论是交流充电桩还是直流充电桩，其充电流程都包括两个步骤：首先进行交流和直流的转换，然后对动力电池进行直流充电。两者的主要区别在于转换发生的位置：一个在车内（OBC），一个在车外（充电桩）。既然交流充电桩与直流充电桩的充电流程相似，只是转换位置有所不同，那么究竟是何原因导致了它们在充电速度上的差异呢？接下来，我们将深入探讨直流充电桩的工作原理。
2.直流充电桩的工作原理直流充电桩的电路设计类似于车内的OBC，同样采用两级架构：前级PFC与后级DC/DC。前级PFC主要用于调整功率因数并确保将交流电稳定转换为直流电。而后级DC/DC电路则从PFC母线获取电能，进行电压调节，并实现必要的隔离功能。直流充电桩的电路设计同样遵循两级架构，即前级PFC和后级DC/DC。这两级电路中，大功率器件扮演着电压电流转换的关键角色。这些电路通过控制器相关联，使得硬件组成主要包括功率部分和控制部分。
控制部分则是由检测电路和参数反馈电路精细构成，它们通过PWM信号精准调控高压回路中开关管的开启与关闭时长，从而达成设定好的输出电流和电压标准，同时实现故障诊断等诸多功能。2.PFC（功率因数校正）
直流充电桩进行PFC功率因数校正的原因在于，电路中电流和电压的相位差会导致交换功率的损失。这种相位差源于感性器件与容性器件的特性差异，即电容上的电流相位会超前于电压，而电感上的电压相位则超前于电流。为了提升电网质量，PFC电路被引入以使负载更接近纯电阻特性。
PFC电路通过电感和控制电路的协同作用，对输入电流波形进行精细调控，实现电流与电压的同频同相变化。具体的PFC解决方案会因电网输入交流相数和输出功率等级的不同而有所差异。对于单相交流输入模块，可能采用传统升压、无桥升压或图腾柱方案。而直流充电桩，由于其使用的是三相电，因此典型的电路是三相无桥PFC电路。
在三相无桥PFC电路中，开关管可由NMOS、IGBT或SiCMOS构成。NMOS的耐压值较低，而SiC的耐压值高达V，但成本相对较高。目前，IGBT因其高性能价格比而得到广泛应用。IGBT，即绝缘栅双极晶体管，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。与MOSFET场效应管相似，但可控电压范围更广，适用于耐压V以上、电流0A以上、频率kHz以上的高功率应用。因此，IGBT成为直流充电桩PFC电路中的理想选择。三相无桥PFC电路由三个电感（L-L3）、六个IGBT（T-T6）以及一个滤波电容（C）共同构成。通过IGBT开关的通断，该电路不仅实现了交流直流的转换，还兼具了功率因数校正和升压的功能。
对于整流功能，其原理基于开关管的通断来实现交直转换，这是比较容易理解的。而关于功率因数校正的原因和方法，我们也已在前文进行了阐述。那么，为何PFC电路还需要承担升压的任务呢？
这主要归功于电感的作用。电感电流的特性决定了其不能发生突变，而只能逐渐变化。这种特性源于电感电流变化时产生的感应电压。当电感电流增加时，感应电压会与之反向，从而阻止电流的进一步增加；而当电流减小时，感应电压则与之同向，以延缓电流的减小速度。这种感应电压的大小与电感的值以及单位时间内电流的变化率密切相关。
升压电路，也被称为Boost电路，其工作原理正是基于电感的这种特性。通过巧妙地控制开关管的通断，升压电路能够在输入电压较低的情况下，输出更高的电压，从而满足不同设备的需求。Boost电路原理图当开关S闭合而S2断开时，输入电源VIN中的电流会通过电感L和开关S构成回路。此时，电感L中的电流会以恒定的斜率从0逐渐增大到最大值，即电感电流在增加，电感开始蓄电。值得注意的是，电感内部电流的方向是从负极流向正极，因此电感两端会产生一个反向电动势E。
当开关S断开且S2闭合时，由于电感L中的电流不能发生突变，它将继续沿先前方向流动，即通过S2流向电容C。电容C的阻抗作用使得电感电流逐渐减小。同时，电感两端会产生一个阻止电流减小的反向电动势E2，该反向电压与输入电源VIN的方向相同，从而形成串联电路。此时，输出电压VOUT等于VIN与E2之和，由于E2的存在，VOUT的值大于VIN，实现了升压效果。
在实际应用中，这些开关通常会被半导体可控开关所替代，通过软件控制的PWM方式来调节感应电压的大小。这样，感应电压与输入的三相电压串联后，就能实现电压的放大效果。2.2DC/DC电路DC/DC电路的核心功能包括电压调节和电气隔离。电气隔离的实现依赖于变压器，它分为原边和副边两部分。在原边DCDC转换中，常采用的拓扑结构包括LLC、CLLC以及移相全桥（PSFB）。其中，LLC谐振电路是由传统的LC谐振电路演变而来，通过减小LC谐振电路中原边的磁化电感，并等效成一个并联的Lm，从而构成了LLC谐振电路。LC谐振电路的演变与LLC谐振的特性
LLC谐振电路，源于传统的LC谐振电路，通过减小原边磁化电感并等效为一个并联的Lm，从而形成了这种电路。在频率大于谐振点时，LLC呈现降压特性；而在频率小于谐振点时，它又具备升压能力。这种灵活的电压输出特性使得LLC谐振电路的调节变得异常简便。
谈到原边整流，全桥开关是不可或缺的元件。因此，尽管不同的应用场景可能会采用不同类型和配置的元件及变压器，但4开关技术在原边DCDC转换中始终占据着主导地位。全桥LLC谐振电路的构成与原理
全桥LLC谐振电路由一个全桥逆变电路和谐振电路共同组成。该谐振电路包含谐振电感Lr、励磁电感Lm以及谐振电容Cr，且其后端与变压器的原边紧密相连。这种电路结构使得LLC谐振电路在原边整流过程中，能够高效地实现全桥整流，从而确保了电路的稳定性和转换效率。副边整流二极管桥-单向
在变压器的副边，通常采用二极管桥进行整流，这是最简单的解决方案。如图所示，该方案由4个二极管构成全波不控整流电路，与输出电容C相连后为负载提供电能。由于二极管的单向导通特性，电流仅能从一个方向流动，即从电网流向车辆电池。
然而，若采用MOSFET的全桥解决方案，则可以实现双向充电功能，这意味着不仅可以从充电桩向车辆充电，车辆也可以向充电桩回馈电能。这样，电动车便能在电网负荷较低时吸收多余电能，而在电网负荷较高时释放储备电能。副边整流全桥-双向
为了实现双向充电功能，需要采用全桥解决方案，并具备将动力电池的直流电转换为交流电的逆变器功能。这样，不仅可以从充电桩向车辆充电，车辆还可以向充电桩回馈电能，实现能量的双向流动。逆变器电路在实现双向充电的过程中，逆变器电路扮演着至关重要的角色。它能够将动力电池的直流电高效地转换为交流电，从而支持从充电桩向车辆的充电，以及车辆向充电桩的电能回馈，实现能量的灵活双向流动。
3.充电枪接口由于直流充电桩与交流充电桩在车载连接位置及车辆插座上存在差异，因此充电桩上的充电枪接口也各有不同。为了确保充电的安全性及有效性，这两种充电枪不可互插，必须分别与车辆的直流和交流充电接口相匹配。值得注意的是，直流充电枪通常采用9孔接口设计，其中包含2个较大孔径和7个较小孔径。直流充电枪接口端子详解当直流充电枪与车辆插座相连后，通过DC+/DC-为车辆提供充电电能。这一连接会激活车辆内部的控制器。那么，车辆是如何感知到充电枪的连接呢？关键在于接口中的CC端子。CC内部巧妙地通过下拉电阻和开关与地线相连，同时，它又通过上拉电阻与控制电源相通。当按下枪头按键时，开关打开；松开枪头按键后，开关又会闭合。通过监测CC端子的电压变化，车辆便能判断出充电枪是否已成功连接。
一旦连接建立，充电桩的控制器会通过充电枪上的S+/S-与车内的CAN总线进行数据交换。在开始充电之前，充电桩和车辆内部会分别进行绝缘检测，确保充电过程的安全。随后，车辆会向充电桩发送其电池的充电需求参数，而充电桩则会根据这些参数实时调整充电电压和电流，并持续交换各自的状态信息。这就是直流充电的基本流程。
另外，A+和A-端子还能输出2V的辅助电压，为车辆中的低压控制器提供所需的电力支持。交流充电枪接口端子概览交流充电枪的接口设计独具特色，与直流充电枪的接口形状迥然不同。它采用了7孔布局，其中包含5个大型孔洞和2个小型孔洞。在三相交流电的应用场景下，L、L2和L3三个端子会被使用；而单相交流电情况下，则仅需使用L，L2和L3端子则保持空闲状态。
4.功率与充电速度充电桩的输出功率，以“瓦特”(W)为单位，衡量的是单位时间内充电器能够提供的电能。因此，高功率充电桩能在相同时间内传输更多电能，实现更快的充电速度。
根据功率的计算公式P=V×I，要实现大功率输出，必须保证充电桩能提供足够的电压和电流。在考虑增加功率时，虽然提高电压或电流均可，但电流增大可能会增加电路中的热损耗，导致电池过热，进而影响其寿命。因此，在特定功率条件下，增加电压、相应减少电流是更优的选择，这样可以降低电路中的热量产生，延长电池寿命。
因此，也可以说，充电桩的电压越高，其充电速度就越快。直流充电桩的功率通常在60kW以上，甚至能达到kW或更高，使得电池在理想状态下能在20-50分钟内充满。而交流充电桩的充电功率较低，通常为7kW左右，因此充电时间较长，通常需要8-5小时才能将电池充满。相比之下，直流充电桩的充电速度显然远胜于交流充电桩。
5.功率与体积直流充电桩的内部结构复杂，包含交直流转换和升压电路等多个模块，因此其体积相对较大。然而，令人注意的是，具有相似功能的车内OBC系统体积却更为紧凑。这其中的关键在于直流充电桩所使用的大功率器件数量众多。）大功率器件往往包含更多的绕组和磁芯材料。例如，随着变压器功率的增大，其线圈的截面积和匝数也会相应增加，这要求磁芯使用更多的铁芯材料来应对更高的磁通量。2）由于大功率器件必须承受更高的电压和电流，因此必须配备更多的绝缘材料和绝缘层数，以确保电气安全和稳定运行。3）在大功率电路中，大电流会产生大量热量。为了确保器件在高温环境下仍能正常工作，需要增大散热器的尺寸并增加其数量。这些因素共同导致了直流充电桩的体积明显大于交流充电桩和车内的OBC系统。直流充电桩与交流充电桩的尺寸差异
鉴于车辆内部空间的局限性，无法容纳大型或数量众多的功率器件，因此车内的OBC系统功率相较于外部的直流充电桩要小得多。这正是交流充电桩充电速度较慢的直接原因，而空间限制则成为根本性的因素。
6.总结交流充电桩主要扮演电力输出平台的角色，而真正的充电过程是由车内的车载充电机OBC来完成的。受外部电源和车内空间限制，交流充电桩的功率相对较小，因此充电时间较长，主要提供慢充功能，适合在夜间电网低谷时段充电。其优点在于适合家用，对电网冲击和电池寿命的影响较小。
相比之下，直流充电桩内部集成了充电机，不受体积限制，能提供大功率输出，从而缩短充电时间，实现快充功能，满足车辆运行期间快速充电的需求。然而，尽管通过提高电压可以一定程度上减少电流，但电流的绝对值仍然很大，对设备性能要求较高，同时也会对电池寿命产生一定影响。
