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隨著重型或商用車輛電氣化獲得更多的認(rèn)可，為比電動客車更大的電池充電變得越來越重要。時間就是金錢，特別是在物流方面，首選選項是提高充電功率或分配空閑時間充電。這些偏好導(dǎo)致三種不同的充電方案。


現(xiàn)代電池技術(shù)與先進(jìn)功率半導(dǎo)體解決方案允許設(shè)計高效的基礎(chǔ)設(shè)施。上圖描繪了公交車隊的充電站充電方式。

充電站充電是當(dāng)?shù)剀囮犨\營的最佳選擇，尤其是公交汽車與運輸車輛。這些車輛在相對固定的線路運行，并在夜晚時段空閑。

這些充電方式可以降低對充電功率的需求，并提供了更多的能量管理選項。其中包括固定電池，將公交汽車充電時間與能量過剩時間分離也成為一種選擇。

現(xiàn)在常見的電池電動公交的電池電容在250kWh到500kWh之間，能夠在不充電的情況下運行一班。單個depot充電器整夜只能為一輛車充電，即使6小時內(nèi)為500 kWh的80%充電，70kW也足夠了。當(dāng)然，這是乘以整個充電站必須同時充電的車輛數(shù)量。

如圖2，典型的充電器原理圖包括可以適應(yīng)直流鏈路電壓的輸入級、輸出整流器和中間的隔離級。


通常來說，充電器采用模塊化方法從可以堆積輸出功率的子系統(tǒng)中構(gòu)建。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計每個子系統(tǒng)的功率為15-60 kW，元件的選擇因功率輸出需求和冷卻偏好而不同。雖然10kW至15kW的強制空氣冷卻機組廣泛采用離散設(shè)備，但更高功率機組使用液體冷卻，主要由多個功率模塊構(gòu)成。

并聯(lián)裝置是另一種增加功率輸入的選擇，但同時也建立了功能系統(tǒng)冗余。這樣系統(tǒng)可以在較低功率下運行，以防止因單個模塊發(fā)生故障，導(dǎo)致整個系統(tǒng)損壞。

充電站充電同樣也可以作用在二級網(wǎng)格服務(wù)。固定儲能有助于降低電網(wǎng)負(fù)荷，在高能量需求期間，也可以支持電網(wǎng)。定時充電與負(fù)載均衡也成為一種選擇。充電時間與過剩能源周期一致，可能導(dǎo)致夜間能源價格更低甚至為負(fù)。

具有固定時間表的車隊不需要同時充滿電。車輛之間的能量共享也是可能的，而那些未被列入計劃的車輛可以為儲能做出貢獻(xiàn)。從整體上來講，充電站作為較大的工業(yè)區(qū)或許可以成為太陽能發(fā)電站。

方案2：機會充電

沿著預(yù)定路線行駛的車隊可以通過更頻繁地增加少量能量來延長行駛里程。這被稱為“機會充電”，如果以完全自動化的方式進(jìn)行，效果最好。

以下有兩種機會充電的推薦解決方案。

被稱為受電弓的機械系統(tǒng)，允許大型電觸點移動更遠(yuǎn)的距離，并安全地與對應(yīng)觸點接觸。經(jīng)驗證可靠的技術(shù)，受電弓可以廣泛應(yīng)用在有軌電車與鐵路應(yīng)用。受電弓根據(jù)安裝位置分為自上而下和自下而上系統(tǒng)。自下而上系統(tǒng)安裝在車輛上，并與車站聯(lián)系。自上而下系統(tǒng)是車站的一部分，并下降到車輛上。如圖3顯示了如何設(shè)置受電弓充電。


基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍然局限在路邊。因此，在當(dāng)?shù)赜泻线m的電源供應(yīng)的情況下，可以建造這樣的裝置來升級現(xiàn)有的電站。由于這類情況很少發(fā)生，通過電池儲存的緩沖站是一種廣泛接受的解決方案，以將車輛的高功率充電與固定電池的再充電分開。

通常應(yīng)用125kW-250kW的功率水平。

在開始充電之前，充電電壓與電流在車站和車輛電池管理系統(tǒng)之間對齊。由于涉及高功率，通過受電弓充電始終是直流充電，直接接入車輛電池。

對于未來安裝，受電弓是推薦的解決方案，特別是自動駕駛汽車，它不涉及需要精確處理的插頭或電線。系統(tǒng)可以輕松地處理不同高度的車輛，并且可以被構(gòu)造成容忍車站和車輛之間的錯位。

同樣，像是智能手機等移動設(shè)備，考慮升級無線電力傳輸（WPT）以滿足大規(guī)模能量傳輸?shù)男枨?。SAE J2594詳細(xì)描述了車載系統(tǒng)的無線電力傳輸。無線充電系統(tǒng)本質(zhì)上有兩個獨立的部分，它們通過磁通量交換能量。為了避免浪費過多的能量轉(zhuǎn)化效率，SAE J2594將至少達(dá)到80%的能量轉(zhuǎn)化效率設(shè)置為目標(biāo)。如圖4 所示，在80-140 kHz頻率范圍內(nèi)運行的串聯(lián)補償諧振電路可用于滿足這一要求。


許多輸入整流器拓?fù)渲档每紤]，包括作為成本優(yōu)化解決方案或基于晶閘管版本的靜態(tài)二極管整流器。Vienna整流器是常見的解決方案，因為它具有更好的EMI性能，可以減少過濾所需的工作量，以及可調(diào)的直流鏈路電壓。按標(biāo)準(zhǔn)要求，使用80至140 kHz的高開關(guān)頻率驅(qū)動發(fā)送線圈，可以考慮使用具有低開關(guān)損耗的IGBTs或SiC-MOSFETs用于DC-DC轉(zhuǎn)換階段。

感應(yīng)充電器必須安裝在車輛可以碾壓的地方。與受電弓相比，嚴(yán)重影響了基礎(chǔ)設(shè)施，特別是公共交通。因此，感應(yīng)充電是一個適合半公共區(qū)域的解決方案。例如，機場行李車可以受益于無線電力傳輸，因為功率水平、涉及的能量和地形條件符合應(yīng)用程序的要求。

方案3：長途運行

由于長途物流的需要，在隨機的路線上旅行需要像今天的加油站一樣單獨進(jìn)行高功率充電。這種高功率充電需要成為現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，以實現(xiàn)電動卡車與移動行業(yè)的無縫融合。。

直流電壓高達(dá)1500V，最大充電電流高達(dá)3000A，可以以超過2MW的速率充電。

在2MW下充電，500kWh再行駛300公里可以在15分鐘內(nèi)完成，這是司機必須遵守法律要求的休息時間。然而，400 V以下的城市低壓三相電網(wǎng)不支持這一功率水平。

在這種情況下，必須將中壓本地供電作為先決條件。雖然固定電池緩沖是一個潛在的選擇，存儲容量將變得相對較大。

在兆瓦級的情況下，必須使用中壓變壓器作為充電器是一個很有前途的選擇。與其擴大乘用車充電的結(jié)構(gòu)，不如采用電解的成熟方案。圖5描述了相關(guān)的大功率設(shè)置。


這種方法僅具有單級能量轉(zhuǎn)換的功能，將電流隔離級從較小的單個轉(zhuǎn)換器替換為中壓變壓器，可將功率轉(zhuǎn)換級的效率提高到99%以上。同時，可以最大限度的減少每kW安裝的資源數(shù)量，并由扁平狀元件組裝減少空間需求。

當(dāng)進(jìn)入兆瓦時管理體制時，基于晶閘管的解決方案將卓越的效率與膠囊型設(shè)備前所未有的壽命和可靠性結(jié)合起來。

基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)需要大量周期運行，并對服務(wù)時間提出了意想不到的期望。設(shè)計者需要考慮在設(shè)計的早期階段考慮這兩個因素。盡管技術(shù)與拓?fù)淇赡苓^時，但高效、低成本、降低空間需求使其成為顯而易見的選擇。當(dāng)未來自動駕駛商用車需要更高額定功率以減少充電時間時，該方法將至關(guān)重要，因為駕駛員不需要休息。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯

原標(biāo)題： 下一代商用電動汽車的先進(jìn)充電解決方案