面向下一代商用電動汽車的高級充電解決方案

隨著重型或商用車輛的電氣化越來越被認(rèn)可，給比電動汽車更大的電池充電變得越來越重要。因?yàn)闀r間就是金錢，尤其是在物流方面，首選方案是增加充電功率或分配充電的空閑時間。這些偏好導(dǎo)致了三種不同的充電場景。

專用電力電子解決方案的三種場景

隨著重型或商用車輛的電氣化越來越被認(rèn)可，給比電動汽車更大的電池充電變得越來越重要。因?yàn)闀r間就是金錢，尤其是在物流方面，首選方案是增加充電功率或分配充電的空閑時間。這些偏好導(dǎo)致了三種不同的充電場景。

場景1: 停車場充電和車隊(duì)運(yùn)營

現(xiàn)代電池技術(shù)和尖端功率半導(dǎo)體解決方案使高效基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)成為可能。上圖描繪了當(dāng)代停車場為公交車隊(duì)充電的情況。

停車場充電是當(dāng)?shù)剀囮?duì)運(yùn)營的最佳選擇，尤其是公共汽車和送貨車輛。它們在相對固定的路線上運(yùn)行，在夜間時段閑置。

這種形式的充電減少了對充電電源的需求，并提供了更多的能源管理選項(xiàng)。包括固定電池在內(nèi)，將公交車充電時間與過剩能量的時間脫鉤也成為一種選擇。

今天常見的電動公交車的電池容量從250到500千瓦時不等，這使它們能夠在不充電的情況下運(yùn)行一個班次。單個停車場充電機(jī)只需要在夜間為一輛汽車充電，即使在6小時內(nèi)充電500千瓦時的80%，70千瓦也足夠了。當(dāng)然，這要乘以整個停車場必須同時充電的車輛數(shù)量。

典型的充電機(jī)原理圖包括一個可適應(yīng)直流鏈路電壓的輸入級、一個輸出整流器以及兩者之間的電流隔離級，如圖2所示。

圖2:雙向充電機(jī)原理圖和推薦元件

通常，充電機(jī)以模塊化方式從子系統(tǒng)中構(gòu)建，這些子系統(tǒng)可以堆疊以增加輸出功率。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是每個子系統(tǒng)15-60 kW，元件的選擇因功率輸出要求和冷卻偏好而異。盡管強(qiáng)制空氣冷卻范圍為10至15kW的單元廣泛采用分立器件，但功率較高的單元采用液體冷卻，主要由多個功率模塊構(gòu)成。

并聯(lián)單元是增加輸出功率的另一種選擇，同時也建立了功能系統(tǒng)冗余。這樣做能夠在單個模塊出現(xiàn)故障的情況下以較低的功率運(yùn)行系統(tǒng)，而不是失去整個系統(tǒng)。

停車場充電也為二次電網(wǎng)服務(wù)的使用打開了大門。固定儲能有助于減少電網(wǎng)的負(fù)荷，在能源需求高的時候，甚至可以為電網(wǎng)提供支持。定期充電和負(fù)載平衡也成為一種選擇。充電時間可能會與過剩的能源周期保持一致，這可能會導(dǎo)致夜間的能源價(jià)格較低，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

有固定時間表的車隊(duì)不需要同時充滿電。車輛之間共享能源也是可能的，那些沒有計(jì)劃投入使用的車輛可以貢獻(xiàn)它們儲存的能量?？傮w而言，作為較大工業(yè)區(qū)的停車場也可以成為太陽能發(fā)電站。

場景2：機(jī)會充電

沿著預(yù)定路線運(yùn)營的車隊(duì)車輛可以通過更頻繁地增加較少的能量來擴(kuò)大行駛里程。這被稱為機(jī)會充電，如果它以完全自動化的方式進(jìn)行，效果最好。

機(jī)會充電有兩種推薦的解決方案。

被稱為受電弓的機(jī)械系統(tǒng)允許大型電觸點(diǎn)在更遠(yuǎn)的距離上移動，并安全地與其對應(yīng)物接觸。受電弓是一種經(jīng)過驗(yàn)證的可靠技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于有軌電車和鐵路應(yīng)用中。受電弓根據(jù)安裝位置分為自上而下和自下而上兩種系統(tǒng)。自下而上的方法是系統(tǒng)安裝在車輛上，并與車站聯(lián)系。自上而下的機(jī)械系統(tǒng)是車站的一部分，并被下放到車輛上。圖3顯示了如何設(shè)置受電弓充電。

圖3：機(jī)會充電的自上而下的受電弓

基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍限于路邊。因此，可以建造這樣的設(shè)施，以升級當(dāng)?shù)赜泻线m電源的現(xiàn)有電站。由于這種情況很少發(fā)生，因此通過電池存儲來緩沖充電站是一種被廣泛接受的解決方案，這可以將車輛的高功率充電與固定電池的再充電分開。

通常我們會采用125-250 kW的功率水平。

在開始充電過程之前，充電電壓和電流在充電站和車輛的電池管理系統(tǒng)之間保持一致。由于所涉及的高功率，通過受電弓充電的始終會是直接接觸車輛電池的直流充電。

對于未來的安裝，受電弓是推薦的解決方案，特別是對于自動駕駛汽車，因?yàn)樗簧婕靶枰_處理的插頭或電線。這些系統(tǒng)可以很容易地處理不同高度的車輛，并且可以在構(gòu)造上允許車站和車輛之間的錯位。

這在智能手機(jī)等移動設(shè)備上也很受歡迎，可以考慮升級無線電力傳輸(WPT)以適應(yīng)大規(guī)模能源傳輸?shù)男枨?。SAE J2594詳細(xì)描述了車輛規(guī)模系統(tǒng)的無線功率傳輸。無線充電系統(tǒng)本質(zhì)上有兩個獨(dú)立的部分，都通過磁通量交換能量。為了避免犧牲過多的傳輸效率，SAE J2594為它們設(shè)定了至少達(dá)到80%傳輸效率的目標(biāo)。如圖4所示，工作頻率范圍為80-140 kHz的串聯(lián)補(bǔ)償諧振電路可以用來滿足這一要求。

圖4：串聯(lián)補(bǔ)償諧振WPT設(shè)置

許多輸入整流器拓?fù)渲档每紤]，包括作為成本優(yōu)化解決方案的靜態(tài)二極管整流器或基于晶閘管的版本。Vienna整流器是一種常見的解決方案，因?yàn)樗鼡碛谐錾腅MI性能，可以減少濾波所需的工作量，并且具有可調(diào)的直流鏈路電壓。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在80至140 kHz的高開關(guān)頻率下驅(qū)動發(fā)送線圈，可以考慮使用低開關(guān)損耗的IGBTs或用于直流-直流轉(zhuǎn)換級的碳化硅MOSFET。

感應(yīng)式充電機(jī)必須安裝在車輛可以到達(dá)的地方。與受電弓相反，它會嚴(yán)重影響到基礎(chǔ)設(shè)施，特別是公共交通。因此，感應(yīng)式充電對于半公共區(qū)域來說，是一種合適的解決方案。例如，機(jī)場行李手推車可以受益于無線電力傳輸，因?yàn)槠涔β仕健⑺婕暗哪芰亢偷匦螚l件都符合應(yīng)用的要求。

場景3：單獨(dú)長途運(yùn)營

按照長途物流的要求，在隨機(jī)路線上旅行需要單獨(dú)的高功率充電，這類似于現(xiàn)在的加油站。這種高功率充電需要成為現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，以便將電動卡車無縫集成到移動領(lǐng)域。

使用高達(dá)1500 V的直流電壓和高達(dá)3000 A的最大充電電流，以超過2 MW的充電便成為可能。

在2兆瓦的充電條件下，充電 500千瓦時可以在大約15分鐘內(nèi)完成，可再行駛300公里，這很好地涵蓋了司機(jī)必須遵守法律要求的休息時間。然而，城市400V以下的低壓三相電網(wǎng)將無法支持這一功率水平。

在這種情況下，必須考慮在本地供電的前提條件是中壓供電。雖然使用固定電池進(jìn)行緩沖是一種潛在的選擇，但存儲容量將變得相對較大。

我們不得不使用中壓變壓器，這為兆瓦級充電機(jī)提供了一個有前途的選擇。我們想到的不是按比例增加用于給客車充電的結(jié)構(gòu)，而是沿用電解中已被廣泛接受的方案。圖5描述了相關(guān)的高功率設(shè)置。

圖5：采用B12C的大功率充電拓?fù)鋱D，也稱為B6C-2P

這種方法只有一個能量轉(zhuǎn)換級，將電流隔離級從較小的單個轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移到中壓變壓器，可以將功率轉(zhuǎn)換級的效率提高到99%以上。同時，它最大限度地減少了每千瓦安裝的資源數(shù)量，由壓制元件構(gòu)建的器件減少了空間需求。

當(dāng)進(jìn)入兆瓦級時，基于晶閘管的解決方案將出色的效率與膠囊型設(shè)備前所未有的壽命和可靠性結(jié)合在一起。

這樣的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)需要大量的運(yùn)行周期，并對服務(wù)時間提出了特別的期望。在設(shè)計(jì)的早期階段，設(shè)計(jì)人員需要考慮這兩個因素。盡管技術(shù)和拓?fù)淇赡芸雌饋磉^時了，但更高的效率、更低的成本和更小的空間要求使其成為顯而易見的選擇。當(dāng)未來的自動駕駛商用車需要更高的額定功率以進(jìn)一步減少充電時間時，這種方法將至關(guān)重要，因?yàn)樗緳C(jī)不需要休息。