復雜、昂貴的充電基礎設施限制了電動汽車的采用

如果說我們現(xiàn)在能做一件事來加速向電動汽車的過渡，那就是：建立強大的公共電動汽車充電基礎設施。雖然媒體一直關(guān)注車輛的性能和續(xù)航里程，但消費者一直很清楚，他們希望電動汽車基本上可以完成舊車所做的一切，包括長途過夜旅行。

對于那些還沒有電動汽車的人來說，強大的基礎設施似乎并不重要。畢竟，研究表明，在發(fā)達市場，多達 90% 的充電發(fā)生在家庭中。然而，事實證明，剩余的充電百分比至關(guān)重要。送貨卡車和出租車的司機、公寓樓的居民、上大學路上的學生、度假的家庭以及無數(shù)其他人都了解到，在公共充電稀缺或不可靠的情況下，駕駛電動汽車可能是一項艱巨的任務。例如，福布斯 2022 年的一項調(diào)查表明，62% 的電動汽車車主對電動汽車續(xù)航里程非常焦慮，以至于他們有時會縮減旅行計劃。

這對政策制定者來說已經(jīng)不是什么秘密了。國際能源署最近的一份簡報表明，在中國，投資充電基礎設施對電動汽車成功的影響是向電動汽車購買者提供補貼的四倍。

這些都是我們幾十年來一直在努力解決的問題。早在 1992 年，我們與他人共同創(chuàng)立了 AC Propulsion，該公司提供 tZero，這是一款高性能電動跑車，其基本技術(shù)和設計后來被整合到最初的特斯拉 Roadster 中。從那以后的幾年里，我們思考了很多關(guān)于如何制造人們真正想要擁有和駕駛的車輛。

當我們詢問潛在的電動汽車車主是什么限制了電動汽車的采用時，他們通常會指出充電站的使用受到限制，尤其是快速公共充電。擁有這些充電站的運營商也這么說，他們還提到了高昂的設備成本——一個帶有四個端口的直流快速充電站的成本可能在 470,000 美元到 725,000 美元之間。他們說，如果設備成本更低，他們會安裝更多的充電站。這可能是一個良性循環(huán)：充電業(yè)務會做得更好，電動汽車車主會受益，更多的人會考慮購買電動汽車。

問題是，電動汽車充電能否更經(jīng)濟、更高效地進行？更具體地說，有沒有辦法降低充電站的復雜性并降低快速充電站的高成本，從而在不犧牲安全性的情況下顯著提高電動汽車的普及率？

答案是肯定的，原因如下。

電動汽車充電的工作原理

在解釋我們的解決方案之前，讓我們回顧一下一些基礎知識，從最基本的開始。充電站是具有一個或多個充電端口的物理位置，每個端口可以為單個 EV 充電。每個端口可能具有多種類型的服務連接器，以支持不同的 EV 標準。

該端口的功能是將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后施加到電池中。必須控制充電電流，以便始終滿足以下標準：電池單元的電壓不得超過臨界限值;電池溫度不得超過預設閾值;并且從電力公司汲取的電流必須保持在一定值以下。如果不滿足前兩個條件，電池可能會損壞或著火。如果不滿足第三個條件，充電器或?qū)嵱贸绦蚩赡軙^載，從而導致斷路器跳閘或保險絲熔斷。

現(xiàn)有 EV 充電器的一個關(guān)鍵安全功能是 [藍綠色] 的隔離鏈路。在該電路中，高頻變壓器在電網(wǎng)電源和電動汽車電池之間提供物理隔離。隔離鏈路位于車輛的車載充電器內(nèi)，用于 2 級充電（頂部）。對于 3 級或快速充電，鏈路位于充電站內(nèi)（底部）?？死锼埂し茽柌ㄌ?/p>

除了這些要求外，充電器還必須保護用戶免受電擊。這并不總是那么容易。充電器在惡劣的環(huán)境中運行，通常是戶外，濕度水平差異很大，并且可能存在受污染的水。設備也可能損壞甚至被破壞。

久經(jīng)考驗的防止觸電的方法是使用電氣接地。接地正如它聽起來的樣子：與大地的直接物理連接，為電流提供路徑。當存在這樣的路徑時，雜散電流（例如在機箱中）會直接流向地面，避開可能站在附近的任何人。在充電的電動汽車中，充電電纜中的綠色地線成為接地路徑。（因為電動汽車有橡膠輪胎，所以汽車本身不能作為路徑。

如果不存在這樣的路徑，會發(fā)生什么情況？如果電動汽車充電器的接地連接斷開或受損，充電接口必須有備用解決方案。今天，這種解決方案被稱為電流隔離。在電流隔離中，電氣系統(tǒng)的某些部分之間不允許有直接的導電路徑。

 如果 EV 充電器沒有隔離鏈路，并且接地電路斷開，并且電池和車身之間存在電流路徑，則觸摸車輛的人可能會受到可能致命的電擊 [上圖]。然而，使用 Wally Rippel 設計的簡單且廉價的“雙接地”電路 [下圖，藍綠色]，檢測器電路在閉合使電流流動的接觸器之前確認接地完好無損?？死锼埂し茽柌ㄌ?/p>

充電器電流隔離的硬件稱為隔離鏈路，它的工作原理是將兩個電路物理和電氣分離，因此電位差不會導致電流從一個電路流向另一個電路。在電動汽車充電的情況下，這兩個電路一方面是電網(wǎng)，另一方面是車輛電池及其相關(guān)電路。

這種隔離可以成為名副其實的救命稻草。假設電動汽車的電池漏液。泄漏的液體是導電的，因此可以在電池電路和車輛底盤之間產(chǎn)生電流路徑。如果接地電路恰好斷開，那么，如果沒有隔離，車輛的底盤將處于高電壓。因此，站在地上觸摸汽車的人可能會受到可能致命的電擊（參見插圖“電擊危險”）。使用隔離后，不會有電擊危險，因為不存在從電力公司到車身的電流路徑。

只有一個組件可以在傳輸千瓦級功率的同時在兩個電路之間提供分離，即變壓器。直接連接到低頻市電的變壓器又重又笨重。但對于重量和尺寸至關(guān)重要的電動汽車充電，變壓器要小得多——它們甚至不到標準積木的一半大小。這是因為充電站使用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電。然后將高頻交流電施加到小型變壓器上，從而提供電流隔離。最后，變壓器的輸出通過高頻整流電路變回直流，完成該過程（如“隔離鏈接...”所示。插圖）。

我們將在下一節(jié)中詳細介紹這種電源轉(zhuǎn)換，但這可以讓您了解當今如何安全地進行充電，無論是在公共充電器還是在家庭車庫中通過汽車的車載充電器。

電流隔離成本很高

幾乎每輛電動汽車都有一個車載充電器 （OBC），當車輛在家中充電時，它可以執(zhí)行 AC-DC 轉(zhuǎn)換功能，就像公共快速充電器一樣。顧名思義，OBC 駐留在車輛中。它能夠為電池提供約 5 至 22 千瓦的功率水平，具體取決于車輛品牌和型號。與快速充電相比，這種充電率較低，通常僅適用于公共充電器，公共充電器的功率從 50 kW 開始，最高可達 350 kW。

如今，所有充電器（車載和車載）都進行了電氣隔離。電流隔離集成到電源轉(zhuǎn)換硬件中，無論是在汽車中還是在公共充電器中。

公共充電站中的單個 300 kW 端口包括約 90,000 美元的電力電子設備，其中約 54,000 美元用于隔離鏈路。

EV 充電器的硬件基本上是為您的智能手機或筆記本電腦充電的開關(guān)電源的更大、更高功率版本。早些時候，我們給出了 EV 中功率轉(zhuǎn)換工作原理的基本概念，但實際上它比這更復雜一些。對于 EV，功率轉(zhuǎn)換分四個階段進行（插圖，“電擊危險”）。在第一階段，交流電（單相或三相）通過有源整流器轉(zhuǎn)換為直流電。在第二階段，來自第一級的直流電通過稱為逆變器的電路轉(zhuǎn)換為高頻交流方波（想想經(jīng)典的正弦波，但采用方形而不是蜿蜒的形狀）。這種高頻的原因是，在第三級，變壓器將交流電轉(zhuǎn)換為不同的電壓，而高頻使該變壓器比較低頻率（如電網(wǎng)）的變壓器更小、更輕。最后，在第四階段，高頻整流器將高頻交流電轉(zhuǎn)換回直流電，然后將其發(fā)送到車輛的電池。第二級、第三級和第四級共同構(gòu)成隔離鏈路，提供電流隔離（參見圖示“隔離鏈路將市電與 EV 電池分開”）。

這種隔離鏈路非常昂貴。它約占典型電動汽車電力電子設備成本的 60%，也占充電器功率損耗的 50% 左右。我們估計，物料清單和電流隔離充電端口的組裝成本約為每千瓦 300 美元。因此，公共充電站中的單個 300 kW 端口包括約 90,000 美元的電力電子設備，其中約 54,000 美元用于隔離鏈路。

算一算：一個具有四個端口的充電站包括大約 360,000 美元的電力電子設備，其中超過 200,000 美元用于電流隔離。要了解一個國家/地區(qū)（例如美國）的總成本，請將每個充電器的電力電子設備成本降低 60% 乘以美國 61,000 多個公共電動汽車充電站的多個端口。

對于電動汽車的車載充電器，隔離鏈路不僅增加了成本，而且增加了體積。充電能力越高，隔離系統(tǒng)的成本和尺寸就越大。這就是為什么您永遠無法使用 OBC 進行快速充電的原因——成本和尺寸都太大，無法將其包含在車內(nèi)。

這些都是我們建議取消電流隔離的主要原因之一?？梢怨?jié)省數(shù)十億美元的資本和能源費用。硬件可靠性會提高，因為充電器將使用大約一半的組件。消除電流隔離（即消除充電器硬件的第二、第三和第四階段）也將大大減小車載充電器的尺寸，并使它們能夠處理快速充電，也稱為 3 級電源。這是最高的充電水平，提供 100 kW 或更高的直流電流。

特斯拉汽車公司于 2006 年在圣莫尼卡推出了其電動 Roadster。Glenn Koenig/洛杉磯時報/Getty Images

消除隔離鏈路后，我們就可以采取下一步行動：讓車輛的車載逆變器為電機供電以進行驅(qū)動，也為電池充電提供電力。通過讓汽車的逆變器發(fā)揮雙重作用，我們將再次將剩余成本降低一半。

這些都不是什么新想法。2008 年上市的初代特斯拉 Roadster 以及 AC Propulsion 制造的所有產(chǎn)品都成功使用了非電流隔離的集成充電，其中充電功能由逆變器執(zhí)行。在這些交流推進車輛中，標稱電池電壓約為 400 伏直流電，就像當今大多數(shù)電動汽車一樣。

可以消除電流隔離嗎？

消除隔離鏈路的要求并不是非常復雜或昂貴。特別需要解決兩個問題：觸電風險以及市電和電池電壓之間的兼容性。

首先，讓我們看看電擊危險。如果同時存在三種情況，則可能會發(fā)生觸電：車輛未接地，未接地的車輛通電，并且已形成電流泄漏路徑（參見圖示“電擊危險”）。例如，如果電池的電解液開始泄漏，在電池和車身之間形成一條路徑，則可能會形成泄漏路徑。由于所有 EV 充電系統(tǒng)都包含接地連接，因此只有當接地連接斷開或受損時，泄漏路徑才是一個問題。

所有充電系統(tǒng)，無論是車載還是車載，都包含稱為安全接觸器的組件，只有在進行各種電子檢查后，才能為電池供電。這些檢查包括接地驗證，用于測試接地連接是否完好無損。如果接地連接缺失或故障，則不會為電池充電。

電動汽車充電：1、2 和 3 級

LEVEL 1 充電使用標準的單相 115 伏交流電作為充電器輸入。因此，充電率限制為小于 2 kW。為了給 100 kWh 的電池充滿電，總充電時間約為 80 小時。

LEVEL 2 充電器是大多數(shù)電動汽車車主現(xiàn)在車庫中的充電器。在美國，2 級使用單相 208 或 240 V AC 作為充電器輸入;在歐洲，輸入功率為 380 V AC，三相。最大充電速率受公用事業(yè)服務或車載充電器的額定電流限制。在 6 kW 時，過夜充電通?？梢栽黾?200 英里的續(xù)航里程。

LEVEL 3，也稱為快速充電或直流充電，使用非車載充電器將三相市電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流電，以直接應用于車輛電池，繞過車載充電器（見圖 3）。最大充電速率通常從 50 kW 開始，現(xiàn)在擴展到約 360 kW。充電器正在開發(fā)中，將支持高達 600 kW 的功率，這意味著每分鐘充電可增加約 30 英里的駕駛電量。

對于 2 級充電（例如在家庭車庫中），安全接觸器位于稱為電動汽車供電設備的模塊中。EVSE 通常有一個大鞋盒的大小，可以安裝在墻壁或柱子上。在公共快速充電的情況下，安全接觸器是硬件不可或缺的一部分。

這意味著移除電流隔離不會造成電擊危險。如果車輛接地并且泄漏導致車輛底盤處于高電壓，則由此產(chǎn)生的對地電流浪涌將立即使充電器中的斷路器跳閘。

那么問題就變成了：接地驗證是否可以相信是絕對的故障安全？換句話說，我們能否保證在接地電路斷開或受損時永遠不會通電——即使接地驗證電路內(nèi)的組件出現(xiàn)故障？從道德和法律的角度來看，這種絕對保證是必要的。去除現(xiàn)有的安全系數(shù)（例如電流隔離）是不可接受的，除非它被提供凈安全增益的東西所取代。

我們可以做到這一點。所需要的只是對充電器電路進行相對簡單的修改。

這種安全級別可以通過雙接地結(jié)合接地連續(xù)性檢測來提供（參見圖示“'雙接地'電路防止沖擊”）。這種雙接地方法基于（您猜對了）兩根接地線。使用這種方案，如果一根地線被切斷，另一根地線確保車輛仍然接地。為了進一步提高安全性，即使一根接地線仍然完好無損，也會檢測到破損的接地并關(guān)閉電源。

檢測接地線連續(xù)性既不昂貴也不復雜。我們中的一個人 （Rippel） 大約在一年前開發(fā)了一個原型檢測電路。該系統(tǒng)使用兩個小型變壓器，一個將信號注入其中一根地線，另一根用于檢測第二根地線中的信號。如果第二個變壓器未檢測到信號，則接觸器（例如 EVSE 中的接觸器）會打開，因此無法通電。使用此電路，整個系統(tǒng)在一個或多個組件發(fā)生故障時保持故障安全。

從字面上看，這種安排使充電加倍安全。此外，由于兩個接地電路相互獨立，因此沒有一個故障會導致兩個接地都失效。這降低了接地故障的概率：如果單個接地故障的概率為 P，則兩個接地故障的概率為 P2。通過添加一個電路，感應到兩個接地形成一個完整的電路，安全性得到了進一步提高;一旦兩個接地中的一個損壞或斷開，電源就會關(guān)閉。

如果我們要擺脫電流隔離，消除觸電風險并不是我們必須處理的唯一問題。此外，還存在電壓問題，具體來說，需要防止公用事業(yè)公司的交流線路電壓與 EV 電池的交流線路電壓不匹配。

電壓不匹配在一種情況下會成為一個問題 — 當輸入市電電壓超過電池電壓時。如果發(fā)生這種情況，即使是瞬間，不受控制的電流也會流入電池，可能會損壞電池或?qū)е聰嗦菲魈l。

這個問題的解決方案是一種稱為 buck regulator （或 buck converter） 的器件。降壓穩(wěn)壓器在功能上類似于降壓變壓器，不同之處在于它處理直流電流而不是交流電。如果市電的交流電壓超過電池電壓，降壓穩(wěn)壓器會像變壓器一樣工作并將其降壓。與相同額定功率的隔離鏈路相比，降壓穩(wěn)壓器的成本低于 10%，功率損耗低于 20%。

公共電動汽車充電的未來

在這一點上，我們希望您理解為什么現(xiàn)有的車載和公共電動汽車充電四階段計劃不必要地復雜且昂貴。四個階段中的三個可以完全消除。這將留下一個有源整流器級，必要時，后面是一個低成本的降壓穩(wěn)壓器。為了將安全性提高到與現(xiàn)有電動汽車充電設備一樣高的水平，我們將增加一個具有接地連續(xù)性檢測的雙接地。我們將這種改進的方法稱為直接功率轉(zhuǎn)換。

使用 DPC 方法可以將設備成本降低一半以上，同時將能源效率提高 2% 到 3%。這正是我們在電動汽車革命的這個階段所需要的，因為它將使運營商更能負擔得起電動汽車充電站，并在短短幾年內(nèi)建造數(shù)千個這樣的充電站，而不是十年或更長時間。它還將使電動汽車對那些因為充電基礎設施的薄弱狀態(tài)而拒絕購買電動汽車的人更具吸引力。

現(xiàn)在是時候簡化 EV 充電過程并使其更具成本效益了。但是，如果沒有技術(shù)社區(qū)對電流隔離的討論，這肯定不會發(fā)生。所以讓我們開始討論吧！我們相信，消除隔離鏈路應該是邁向 EV 轉(zhuǎn)型迫切需要的強大充電基礎設施的第一步。