為電動商用車充電

作者 : Martin Schulz,Littelfuse應用工程全球負責人

場景、用例和專用電力電子解決方案...

隨著重型或商用車輛邁向電氣化,必須為比電動車(EV)所用的更大型電池進行充電。由於時間就是金錢,特別是在物流領域,分配閒置時間進行充電或提高充電功率是首選方案。這導致了三種不同的充電場景。

用例一:車隊營運和停車場充電

電池的現代技術和尖端的功率半導體解決方案使我們設計出高效的基礎設施。 1 描繪了現代版本的公車停車場充電場景。

1:配備充電基礎設施的現代公車停車場。

停車場充電是當地車隊營運的首選方案,尤其是公車和任何類型的送貨車輛。它們在相當固定的路線上運行,並在夜間留置數小時。

這伴隨著對充電電源的需求減少,以及能源管理方面的更多選擇。包括固定式電池,將公車的充電時間與能量過剩的時間分開,成為了一種選擇。

當今常見的電池式電動巴士的電池容量介於 250 到 500kWh 之間,它們能夠在不充電的情況下運行完一班。停車場的充電器只需為一輛車充電一個晚上。即使在 6 小時內充電至 80% 的 500kWh 的情況下,70kW 的功率也足夠了。當然,對於整個停車場來說,還要乘以同時間充電的車輛數量。

充電器的典型原理圖包括一個可以適應直流鏈(DC Link)電壓的輸入級、一個電氣隔離級和一個輸出整流器,如2所示。

充電器通常採用模組化方式從子系統中建構,這些子系統可以堆疊在一起以增加輸出功率。常見設計每個子系統的功率為 15-60 kW,元件的選擇因輸出功率要求和冷卻偏好方式而有不同。雖然在10到15kW範圍內強制氣冷的裝置大部份採用離散元件,但功率級較高的裝置會採用液態冷卻,並且大多由電源模組構成。

並聯裝置是增加輸出功率的一個選擇,這項技術也可用於形成冗餘。如此一來,在單個模組發生故障時,系統可以在較低的功率下運行,而不會發生整個系統失效的情況。

2:雙向充電器原理圖和推薦元件。

停車場充電也為二級電網服務打開了大門。固定式儲能有助於降低電網的負荷,在高能源需求時段甚至可以支援電網。負載平衡和定時充電也成為一個選擇。充電時間可以選擇夜間能源過剩的時段,在這段期間相應的能源價格較低,甚至為負。

在以固定時間班表的車隊中,並非所有車輛都必須同時充滿電。即使在車輛之間共享能量也是可能的,那些未計畫投入使用的車輛也可以貢獻其儲存的能量。從整體上看,較大型工業區的倉庫也可以成為太陽能發電站。

用例二:機會充電

沿著預先確定路線營運車隊,可以透過更頻繁的短暫充電方式來擴展行駛里程。這就是所謂的機會充電,如果它以完全自動化的方式進行,效果最好。

對於這種充電方式,我們推薦兩種解決方案。 

受電弓(Pantograph)是個機械系統,允許大型電觸點移動更遠的距離並安全地接觸其對應物。它是經過驗證的可靠技術,廣泛用於軌道電車和鐵路應用。根據安裝位置,受電弓分為自上而下和自下而上的系統。自下而上的系統安裝在車輛上並與車站聯繫,而自上而下的結構是車站的一部份,可向下降落到車輛上。3顯示如何設置受電弓充電的例子。 

基礎設施建設仍然侷限於路邊,因此,如果當地有合適的電源,就可以建造這樣的設施作為對現有車站的升級。但這種情況很少見,因此以電池儲能對充電站進行緩衝,是一廣受歡迎的解決方案,可以將車輛的大功率充電與固定式電池的充電分離。

通常應用於 125-250kW 的功率範圍。

3:用於機會充電的自上而下受電弓。

在充電過程開始之前,充電站和車輛的電池管理系統之間的充電電壓和電流是一致的。由於涉及高功率,透過受電弓充電始終是直接充入車輛電池的DC充電。 

對於未來的安裝,受電弓是獲得推薦的解決方案,特別是對於自動駕駛車,因為它不涉及需要精確處理的插頭或電線。受電弓系統可以輕鬆處理不同高度的車輛,並且可以在構造上容許車站和車輛之間的錯位。 

無線電力傳輸(WPT)在智慧型手機等行動裝置中也很流行,可以升級功率以滿足大規模能量傳輸的需求。 SAE J2594 中詳細描述了車輛規模系統的無線電力傳輸。無線充電系統本質上由兩個獨立的部份組成,它們通過磁通量交換能量。為了避免過多犧牲傳輸效率,SAE J2594 設定了傳輸效率至少達到 80% 的目標。為了滿足這一要求,可以使用如 4 所示的串聯補償諧振電路,工作在 80-140kHz 的頻率範圍內。

需要考慮多種輸入整流器拓撲結構,包括作為成本最佳化解決方案的靜態二極體整流器或基於晶閘管的版本。Vienna 整流器是一種常見的解決方案,它的EMI 性能出色,減少了濾波所需的處理工作,並有可調節的直流母線電壓。根據標準要求,需要使用80至140kHz的高開關頻率來驅動發送線圈,可以考慮將具有低開關損耗的 IGBT或SiC-MOSFET用於DC-DC級轉換。

 感應式充電器必須安裝在車輛通過的地方。相比受電弓系統,它對基礎設施的影響更大,尤其是在公共交通方面。因此,感應式充電性能主要適用於半公共區域。例如,機場的行李手推車可以受益於無線電力傳輸,因為功率水準、所涉及的能量和地形條件適合使用情況。

4:串聯補償的諧振 WPT 設置。

用例三:個人長途行駛

像長途物流一樣,在隨機路線上行駛需要單獨的大功率充電,類似於今天的加油站。這種大功率充電需要成為現有基礎設施的一部份,以便將電動卡車整合到行動領域。

使用高達 1500V 的DC電壓和高達 3000A 的最大充電電流,以超過 2 兆瓦(MW)的速率充電是可能的。

以2MW充電時,可以在大約 15 分鐘內提供 500kWh的電量,可再行駛 300 公里,而這完全符合駕駛人為遵守法律要求而必須要的休息時間。然而,電壓400V 的低壓三相電網城市並不支援這等功率水準。

在這種情況下,必須以中壓系統供電的本地電源為先決條件。雖然有利用固定式電池作為緩衝的可能性選擇,但其儲存容量也相對地變得更大。

必須從中壓變壓器開始工作,這為MW級充電器帶來了一個有希望的選擇。與其擴大為小客車充電的結構,不如遵循電解中使用的成熟方案。5描述了相關的高功率設置。

5:採用 B12C 的大功率充電拓撲結構,也稱為 B6C-2P

這種方法僅具有單級能量轉換,將電氣隔離級從較小的單個轉換器替換為中壓變壓器,從而將功率轉換級的效率提高到 99% 以上。同時,它可最大限度地減少了每千瓦安裝的數量,而且由壓裝構裝(presspack)的方式減少了空間需求。

當進入兆瓦級時,基於晶閘管的解決方案將出色的效率與壓裝構裝前所未有的使用壽命和可靠性結合在一起。

這種基礎設施系統需要大量的運作週期,對服務時間提出了特別的期望。兩者都需要在設計的早期階段就加以考慮。儘管它的拓撲結構和技術可能看起來已經過時,但更高的效率以及更低的成本和更少的空間要求,使其成為顯而易見的選擇。當未來的自動駕駛商用車需要更高的額定功率以進一步縮短充電時間時,這點將尤其重要,因為屆時司機不需要休息時間。

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