瞄準下一代商用電動汽車的先端充電解決方案
作者 : Littelfuse
隨著重型或商用車輛的電氣化越來越受到認可，要為比電動汽車所用的更大型電池進行充電將變得越來越重要，因為時間就是金錢。
隨著重型或商用車輛的電氣化越來越受到認可，要為比電動汽車所用的更大型電池進行充電將變得越來越重要。因為時間就是金錢，尤其是在物流方面，首選方案是提高充電功率或分配充電的閒置時間。這些優先考慮導致了三種不同的充電場合。
場合1: 停車場充電和車隊營運
現代電池技術和尖端功率半導體解決方案使高效基礎設施的設計成為可能。上圖描繪了當代停車場為公車隊充電的情況。停車場充電是當地車隊營運的最佳選擇，尤其是公共汽車和貨車，它們在相對固定的路線上運行，夜間時段則處於閒置狀況。
這種形式的充電減少了對充電電源的需求，並提供了更多的能源管理選項，其中包括固定電池在內，將公車充電時間與過剩能量的時間分開看待也是一種選擇。
今日我們常見的電動公車的電池容量從250到500千瓦小時(kWh)不等，這使它們能夠在不充電的情況下運行一個班次。單個停車場充電器只需要在夜間為一輛公車充電，即便在6小時內充電達500 kWh的80%，70千瓦(kW)也夠用了。當然，這要乘以整個停車場必須同時充電的車輛數量。
典型的充電器原理圖包括一個可適應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1所示。
圖1：雙向充電器原理圖和推薦元件。
通常，充電器以模組化方式從子系統建構，這些子系統可以堆疊以增加輸出功率。大多數標準設計的特點是每個子系統15-60 kW，元件的選擇因功率輸出要求和冷卻偏好而異。儘管強制空氣冷卻範圍為10至15kW的單元廣泛採用分立元件，但功率較高的單元採用液體冷卻，主要由多個功率模組構成。
並聯單元是增加輸出功率的另一種選擇，同時也建立了功能性的系統冗餘。這樣做能夠在單個模組出現故障的情況下以較低的功率運行系統，而不是失去整個系統。
停車場充電也為二次電網服務的使用打開了大門。固定儲能有助於減少電網的負荷，在能源需求高的時候，甚至可以為電網提供支援。定期充電和負載平衡也成為一種選擇。充電時間可能會與過剩的能源週期保持一致，這可能會導致夜間的能源價格較低，甚至出現負值。
有固定時間表的車隊不需要同時充滿電。車輛之間共用能源也是可能的，那些未計劃投入使用的車輛可以貢獻它們儲存的能量。總體而言，較大工業區的停車場也可以成為太陽能發電站。
場合2：機會充電
沿著預定路線運營的車隊車輛可以通過更頻繁地添增少量能源來延長行駛里程。這被稱為機會充電，如果它以完全自動化的方式進行，效果最好。機會充電有兩種推薦的解決方案。
被稱之為「受電弓」的機械系統，允許大型電觸點在更遠的距離上移動，並安全地與其對應物接觸。受電弓是一種經過驗證的可靠技術，廣泛地應用於有軌電車和鐵路應用中。受電弓根據安裝位置分為自上而下和自下而上兩種系統。自下而上的方法是系統安裝在車輛上，並與車站接觸。自上而下的機械系統是車站的一部分，並被下放到車輛上。圖2顯示了如何設置受電弓充電。
圖2：機會充電方案中的自上而下受電弓系統。
基礎設施的建設仍限於路邊。因此，在當地有合適電源的情況下，可以建置這樣的裝置來升級現有的充電站。由於這樣的條件很少見，因此以電池儲電方式來緩解充電站設施的設置成為廣受採用的解決方案，如此可將車輛的高功率充電與固定電池的充電分開。
通常我們會採用125-250 kW的功率水準。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之間保持一致。由於涉及了高功率，通過受電弓充電的都是直接對接車輛電池的直流式充電。
著眼於未來的安裝，建議使用受電弓解決方案，特別是對於自動駕駛汽車，因為它不涉及需要精確處理的插頭或電線。這些系統可以很容易地處理不同高度的車輛，並且可以在構造上允許車站和車輛之間的錯位。
這在智慧手機等行動裝置上也很受歡迎，可以考慮升級無線電力傳輸(WPT)以適應大規模能源傳輸的需求。SAE J2594詳細描述了車輛規模系統的無線功率傳輸。無線充電系統本質上有兩個獨立的部分，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為它們設定了至少達到80%傳輸效率的目標。如圖3所示，工作頻率範圍為80-140 kHz的串聯補償諧振電路可以用來滿足這一要求。
圖3：串聯補償諧振WPT設置。
有許多輸入整流器拓撲都值得考慮，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，因為它擁有出色的EMI性能，可以減少濾波所需的工作量，並且具有可調節的直流鏈路電壓。根據標準要求，在80至140 kHz的高開關頻率下驅動發送線圈，可以考慮使用低開關損耗的絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)或用於直流對直流轉換級的碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
感應式充電器必須安裝在車輛可以駛過的地方。與受電弓相反，它會嚴重影響到基礎設施，特別是公共交通。因此，感應式充電對於半公共區域來說，是一種合適的解決方案。例如，機場行李手推車可以受益於無線電力傳輸技術，因為其功率水準、所涉及的能量和地形條件都符合應用的要求。
場合3：單獨長途運行
按照長途物流的要求，在隨機路線上行駛需要單獨的高功率充電，這類似於今天的加油站。這種高功率充電需要成為現有基礎設施的一部分，以便將電動卡車無縫整合到行動領域。
使用高達1500 V的直流電壓和高達3000 A的最大充電電流，要以超過2兆瓦(MW)的充電便成為可能。
在以2 MW的充電條件下，可以在大約15分鐘內完成提供500 kWh的電量，再行駛300公里，這樣便足以涵蓋司機必須遵守法律要求的休息時間。然而，城市中高達400V的低壓三相電網無法支援此一功率水準。
在這種情況下，當地能提供中壓供電必須視為先決條件。雖然使用固定電池進行緩衝是一種潛在的選擇，但儲存容量將變得相對較大。
我們不得不使用中壓變壓器，這為MW級充電器提供了具發展性的選擇。我們思考的不是按比例增加用於給客車充電的結構，而是沿用電解中已被廣泛接受的方案。圖4描述了相關的高功率設置。
圖4：採用B12C的大功率充電拓撲圖，也稱為B6C-2P。
這種方法只有一個能量轉換級，將電流隔離級從較小的單個轉換器轉移到中壓變壓器，可以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每kW安裝的資源數量，由扁平式組件構成的組裝能減少空間需求。
當進入MW級級別時，基於晶閘管的解決方案可將出色的效率與膠囊型設備前所未有的壽命和可靠性相結合。
這樣的基礎設施系統需要大量的運行週期，並對服務時間提出了特殊的期望，設計人員需要在設計的早期階段考慮這兩點。儘管技術和拓撲結構可能顯得過時，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。當未來的自動駕駛商用車需要更高的額定功率以進一步減少充電時間時，這種方法將至關重要，因為司機不需要休息。
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