为什么直流充电桩比交流充电桩充的快？

电动汽车没电时需要充电，常用的充电桩有两种，一种是交流充电桩，一种是直流充电桩。

1.充电桩的充电步骤

由于车辆动力电池中的高压电是直流电，而我们生活、商业和工业用电是交流电，交流电是不能直接给动力电池充电的，要想给动力电池充电，必须要先转换为直流电！

交流充电桩的充电枪虽然连接到了车上，但实际上不是直接连到动力电池，而是先连接到车内的车载充电机OBC，OBC的作用就是将交流电转换为直流电，OBC处理后会在车辆内部连接到动力电池进行充电。

直流充电桩由于输出的是直流电，所以它是通过车辆的插座直接与车内的动力电池连接的。但是由于直流充电桩的电能来源也是交流电，所以在直流充电桩的内部也是需要进行交流和直流转换处理，相当于直流充电桩内部也有一个类似于车辆OBC的一个转换装置。

简单的说，交流充电桩与直流充电桩的充电步骤是一样的，第1步是交流直流转换；第2步是直流充电。它俩的区别就是1个在车内（OBC）进行交直流转换，1个在车外（充电桩）进行交直流转换。

充电桩的充电过程框图

既然两种充电桩的充电步骤是一样的，只是交直流转换的位置不一样，为什么充电速度不一样呢？我们先了解下直流充电桩的工作原理。

2.直流充电桩的工作原理

直流充电桩的电路拓扑结构与车内的OBC一样，也是采用两级架构，前级PFC+后级DC/DC。

前级PFC用于功率因数校正，同时把交流电转变为恒定的直流电；后级DC/DC电路从PFC母线取电，实现电压调节，同时实现隔离功能。

直流充电桩电路采用两级架构

前级和后级电路中主要是用于电压电流转换的大功率器件，这两部分通过控制器相关电路进行控制，因此硬件电路主要由功率部分和控制部分组成。

控制部分由检测电路与参数反馈电路构成，通过PWM信号控制调节高压回路中开关管的开关时间，实现目标输出电流和电压值以及故障监测等功能。

2.1 PFC

直流充电桩需要做PFC（Power Factor Correction）功率因数校正的原因是由于电路中电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失。

相位差是由于感性器件与容性器件的特性造成的，电容上的电流相位会超前电压，而电感上的电压相位会超前电流。

如果是纯电阻器件，就不会有相位差，所以PFC功率因数校正的目的就是使负载更接近一个纯电阻的负载，提升电网质量。

PFC电路通过使用电感和控制电路会对输入电流的波形进行控制，把电流从脉冲的变化转变为与电压同频同相的变化。

典型的PFC解决方案因电网输入交流相数和输出功率等级不同而有所不同。

对于单相交流输入模块，可采用传统升压、无桥升压或图腾柱方案。

直流充电桩使用的是三相电，典型的电路是三相无桥PFC电路。电路中的开关管可由NMOS、IGBT或者SiC MOS组成，NMOS的耐压值偏低，SiC的耐压值高，可达1200V，但是价格高昂。

目前常用的是IGBT，IGBT是Insulate-GateBipolar Transistor的缩写，表示绝缘栅双极晶体管，它是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它与MOSFET场效应管结构功能相似，但是可控制的电压范围更高，IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。所以IGBT的耐压值也很高，但是由于价格比SiC便宜很多，所以性价比更好。

三相无桥PFC

上图中的三相无桥PFC由3个电感（L1-L3）、6个IGBT(T1-T6)和1个滤波电容(C1)组成。通过IGBT开关的通断，可以完成交流直流的转换、功率因数校正和升压的功能。

利用开关管进行交直转换的整流功能很容易理解，功率因数校正的原因和方法也做了说明。但是PFC电路为什么还有升压的作用呢？

这主要还是电感的作用，我们知道电感电流不能突变，只能缓慢变化。这是由于电感电流变化会产生感应电压。当电感电流增加时，会产生一个与电流变化方向相反的感应电压，以阻止电流的增加；当电感电流减小时，会产生一个与电流变化方向相同的感应电压，以阻止电流的减小。感应电压的大小与电感的值和单位时间内电流的变化率有关。升压电路也称为Boost电路，如下图所示：

Boost电路原理图

当开关S1闭合，S2断开时：

输入电源VIN中的电流通过电感L和开关S1形成回路1，电感L中的电流会以固定的斜率由0变到最大值，即电感电流增加，电感开始充电，电感两端会产生反向电动势E1（注意电感内部电流方向是由-到+）；

当开关S1断开时，S2闭合时：

由于电感L中的电流不能突变，电感电流会继续沿原来的方向流动，即通过S2流向电容C，由于电容C的阻抗作用，电感电流会减小，电感两端会产生防止电流减小的反向电动势E2，这个反向电压与输入电源VIN的方向一致，形成串联，此时输出电压VOUT=VIN+E2，VOUT大于VIN，实现了升压。

实际电路中会把这里的开关换成半导体可控开关，通过软件控制PWM的方式来控制感应电压的大小，感应电压与输入的三相电压串联叠加后，就起到了电压的放大作用。

2.2 DC/DC

DC/DC电路的目的1个是实现电压调节，另外1个是实现电气隔离。电气隔离的功能是通过变压器实现的，变压器分为原边和副边。

原边DCDC转换通常采用LLC、CLLC或移相全桥 (PSFB) 拓扑实现。  

LLC是由传统的LC谐振电路演变而来，将LC谐振电路中原边的磁化电感减小,等效成并联一个Lm,就成为LLC谐振电路。

LC谐振转变为LLC谐振

LLC在大于谐振频率点后是降压，在小于谐振频率点时可以升压，电压输出可升可降，调节起来非常方便。

原边整流几乎都采用某种形式的全桥开关。因此，虽然元件和变压器可能有所不同，但4开关是原边 DCDC 转换中最常见的方法。

原边整流 - 全桥 LLC

全桥LLC由一个全桥逆变电路和谐振电路组成，其中的谐振电路中包括谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr组成，谐振电路后面与变压器的原边相连。

副边整流二极管桥-单向

在变压器的副边，最简单的解决方案是使用二极管桥进行整流。 如上图中是由4个二极管构成的全波不控整流电路，与输出电容C连接后接入负载，由于二极管的单向导通性，所以电流方向是单向的，仅从电网流向到车辆电池。

如果将二极管改为MOSFET的全桥解决方案可实现双向充电，也就是不仅可以实现充电桩向车辆充电，也可以实现车辆向充电桩充电。电动车可以在电网负荷低时吸纳电能，在电网负荷高时释放电能。

副边整流4开关全桥-双向

双向充电需要具有将动力电池的直流电转换为交流电的能力，也就是逆变器的功能。

逆变器电路

3.充电枪接口

直流充电桩与交流充电桩连接到车内的位置不同，车上的插座不同，充电桩上的充电枪接口也不同，所以两种充电枪不能互插，必须分别对应车辆的直流和交流充电接口连接。

直流充电枪是9孔的接口，包括2个大孔和7个小孔。

直流充电枪接口端子定义

直流充电枪与车辆的插座连通后，通过DC+/DC-给车辆充电。充电枪连接后，会唤醒车辆中的控制器，车辆是如何检测到充电枪连接的呢？

接口中的CC1就是充电枪的连接检测点，CC1内部通过下拉电阻和开关与地相连，CC1同时通过上拉电阻与控制电源相连，按下枪头按键时，开关打开，松开枪头按键时，开关会闭合，通过检测CC1的电压变化就可以判断充电枪是否连通。

连通后，充电桩中的控制器通过充电枪上的S+/S-与车内的CAN总线进行数据交互，充电桩内部先进行绝缘检测，车辆内部再进行绝缘检测，双方确保安全后，才会开始充电，充电过程中，车辆向充电桩发送电池充电需求的参数，充电桩会根据该参数实时调整充电电压和电流，并相互发送各自的状态信息，这就是充电的基本过程。

此外，A+和A-可以输出12V的辅助电压，为车辆中的低压控制器供电。

交流充电枪接口端子定义

交流充电枪的接口形状与定义与直流充电枪完全不同，它是7孔的接口，包括5个大孔和2个小孔。三相交流电时使用L1、L2和L3，单相交流电时只使用L1,L2和L3为空。

4.功率与速度

充电桩的输出功率以“瓦特”(W)为单位，表示单位时间内充电器能够提供的能量。所以是决定充电速度的关键因素之一，高功率的充电桩能够在相同时间内传输更多的电能，因此充电速度更快。

根据功率的计算公式，即P = V × I，可以看出，要想实现大功率输出，就得要求充电桩输出的大的电压和电流。

所以要增大功率，可以提高电压或电流，但是电流增大时，电路中的热损耗会增加，导致发热，而电池过热会影响电池的寿命。所以在一定的功率的情况下，可以尽量增加电压，这样电流就可以相应减少，从而减少电路中产生的热量，延长电池的寿命。

所以也可以认为是充电桩的电压越高，充电速度越快。

直流充电桩的功率通常在60kW以上，有的充电桩功率甚至可以达到200kW或更高，理想状态下，可以在20-150分钟内将电池充至满电状态。
而交流充电桩的充电功率一般较低，通常为7kW左右，充电时间较长，通常需要8-15小时才能将电池充满。对比来看，直流充电桩的充电速度要远远超过交流充电桩。

5.功率与体积

直流充电桩由于其内部包含交直流转换、升压电路，组成的模块较多，所以体积自然会比交流充电桩大。

但是具有同样交直流转换、升压电路的车内OBC系统却没有那么大，这是为什么呢？

这是因为直流充电桩中包含了很多大功率器件：

1）大功率器件通常包含更多的绕组和磁芯材料。例如，变压器在功率增大时，线圈的截面积和匝数也会增加，磁芯需要更多的铁芯材料来承受更强的磁通量。

2）由于大功率器件需要承受更高的电压和电流，因此需要更多的绝缘材料和绝缘层数来保证电气安全和稳定运行。

3）大功率电路中的大电流会产生更多的热量，为了有效散热，需要增加散热器的大小和数量，以确保器件在高温下仍能正常工作。

以上原因导致直流充电桩的体积很大，远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大小对比

车辆内部由于空间有限，无法放置太大、太多的功率器件，所以车内的OBC系统的功率比外部直流充电桩的功率要小很多，所以OBC的功率小是充电慢的直接原因，而车内的空间限制才是交流充电桩比直流充电桩慢的根本原因。

6.小结

交流充电桩本身其实并不具备充电功能，只是提供一个电力输出的平台，真正的充电过程是由车内的车载充电机OBC完成的。

交流充电桩由于外部电源和车内空间限制，整体的功率比较小，所以充电时间比较长，只能提供慢充的功能，适合夜间电网低谷时段充电。它的优点是适合家用，对电网的冲击和电池的寿命影响也比较小。

直流充电桩内部集成了充电机，体积不受限制，可提供大功率输出，充电时间短，可提供快充的功能，适合车辆运行期间需要进行快速充电的场景。虽然通过提高电压，可一定程度上减少电流，但是电流的绝对值还是很大，对设备要求较高，对电池的寿命也有一定影响。