概述用於快速充電站的AC/DC轉換器

作者 : Saumitra Jagdale

電動車(EV)是未來實現可持續交通領域的一個主要部分,技術前景廣闊,AC/DC轉換器則是擴展和改進EV功能的基礎元件。本文概述了AC/DC轉換器、充電站類型、傳統兩電平(2L)AC/DC轉換器面臨的問題以及使用多階層電平轉換器(Multilevel Converters, MLC)的重要性。

AC/DC轉換器的意義

插座主要提供交流電,而EV電池要用直流電為電池充電。因此,需要一種用於將交流電轉換為直流電的AC/DC轉換器。它也是EV電池充電器的主要元件,並充當用於功率因數校正和減少諧波的輸入電流整形器。

圖1:AC/DC轉換器電路佈局圖。 (來源:Multisim)

圖1說明了一個簡單的AC/DC轉換器:這裡使用四個通用整流二極體來對AC輸入進行整流。變壓器的功能是將230V的交流電降壓至13V,它由四個二極體組成,電路佈置為全橋。整流器將對交流信號的正峰值和負峰值進行整流。在橋式變換器之後加一個濾波電容來平滑輸出電壓。此外,齊納穩壓器連接在輸出前以反向偏置連接來調節輸出電壓。

充電站的種類

由於可充電電池是電動汽車運行的動力來源,因此瞭解充電站的一些參數非常重要。最基本的參數如電源效率、緊湊的架構和快速充電等將決定目標充電站的總生產力。

電動汽車充電站分為1型,2型和3型。

1型是較小尺寸電池的一部分。1型的充電時長約為8至10小時;不過這可能會因電池的能量容量而異。它只能使用交流充電,並且有一個車載充電器,因為充電元件位於EV內部。2型的充電時間約為1型充電時間的一半。此外,3型快速充電站使用外部充電器(非車載)提供高壓。它能夠在短短20到30分鐘內為電動汽車充電,而1型或2型充電站可以在4到8小時內為車輛充電。

實現快速充電站的要求

快充的功率範圍在50kW以上,根據行業標準,這已經是高功率了。因此需要更大的AC/DC轉換器來為快充提供額外的電力。因此,大功率充電最好在充電站內置AC/DC轉換器的情況下進行,而不是由於尺寸限制而安裝在車輛內。

美國汽車工程師學會(SAE)標準定義的快速充電站的另一項要求是「配電網和電池組之間的電流的隔離」。有兩種架構可用於實現這一點,一種是在輸入側使用低頻變壓器,另一種是通過隔離式DC/DC轉換器在直流階段中使用高頻變壓器。

傳統的AC/DC轉換器及其缺點

通常使用傳統的AC/DC轉換器,例如2L電壓源轉換器(Voltage Source Converter, VSC)。使用這些轉換器的缺點是它們的額定功率有限和諧波污染大。為了避免這些缺點,使用了混合濾波器,但這些濾波器也增加了系統的成本。這些轉換器還有不合要求的高開關頻率。在大功率應用中,開關會承受大量電壓和電流,並且受到半導體元件現有技術的限制。

MLC的重要性

為了克服這些阻礙,2L AC/DC轉換器應被MLC取代。MLC已被證明具有許多優點,例如低諧波、低電壓應力和高功率能力。MLC用於減少開關元件,並通過單相T型轉換器產生多電平輸出。

不同數量的MLC電平可實現更平滑的輸出波形,從而減少諧波和輸出濾波器尺寸。MLC的主要類型是中性點鉗位(NPC)、級聯H橋(CHB)和快速電容器(FC)。其中,最受歡迎的CHB能夠在各個H橋電池上使用不同的直流電壓,從而將功率轉換分為高壓/低頻和低壓/高頻逆變器。

圖2:單相三電平NPC VSC。 (來源:ScienceDirect)

圖2是一個單相三電平NPC電壓源轉換器。它們是MLC的一個系列,其特點是使用鉗位二極體來保證電源開關之間適當的電壓分擔。NPC逆變器的每條支路都有四個可以控制的電晶體,總共提供24=16種可能狀態,但其中只有三種狀態是可行的,因為其他狀態會在直流鏈路上造成短路。

電動汽車充電的未來

從內燃機到電動汽車的轉變是一個長期過程。許多石油公司已經通過建立充電站或推廣針對電動汽車維護的產品,在電動汽車網路中佔有一席之地。未來的預期工作期望能在FC中使用MLC,以從這些轉換器的各種優勢中受益,同時為電動汽車提供高功率和超快速充電系統。為了幫助電動汽車普及,政府和電動汽車充電公司必須確保快速充電基礎設施可用。如果沒有高效的充電基礎設施,電動汽車的普及可能是一個緩慢的過程。

原文刊登於EDN China網站

(參考原文:Overview of AC/DC Converters for Fast-Charging Stations,by Saumitra Jagdale)

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