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白皮书 | 攻克电动汽车快速充电挑战(上)



本文因篇幅较长,

我们将分为上、下两部分呈现。


上部:先为大家介绍现有电动汽车充电方式及相关标准;


下部:将详细介绍快速直流充电系统的架构、实现方式,以及英飞凌在这方面的解决方案及相关产品和服务。



摘要


在本白皮书中,我们探讨了日益增长的电动汽车市场,以及它对社会提出的新要求——提供像给燃油汽车加油那样轻松易用的电池充电解决方案。我们探讨了关于电动汽车充电的标准,以及在这个独特的应用领域中日益兴起的各种拓扑。我们分享了在现有系统架构方面的经验,包括功率转换,支付系统和安全。我们审视了在今后几年实现电动汽车充电系统至关重要的电子元器件、评估系统和配套软件,以支持前面的分析。


引言


随着市场上纯电动汽车(BEV)数量稳步增长,同时,来自环保的压力要求将车辆排放减少至零,纯电动汽车日益受到青睐。相比于内燃机(IC)车辆,纯电动汽车最受诟病的问题之一是其续航里程。当前市场上的大多数纯电动汽车的续航里程已经达到约160公里(100英里),这足以满足普通的日常通勤需求,日常通勤距离一般在10公里到20公里左右。[参考资料2、3和4]

 

然而,电动汽车并非仅从事单一活动的交通工具。日常通勤往往伴随着接送孩子上下学、带孩子上课外班,以及超市购物等。一旦将所有这些额外行程纳入考虑,这种电动汽车的电池电量将所剩无几,这会让一些消费者感到不安。此外,不同于内燃机车辆,电动汽车不能像加油那样在短短几分钟内重新充满电。对于长途旅程,每开一段路就停下来充电的做法根本行不通。

 

目前这种到加油站为汽车加油的方式仍然有其价值,但或许更适用于长途旅程。更有可能的是,电动汽车将在我们上班或购物期间,在停车场或交通枢纽完成充电,为接下来的旅程做好准备。



各种可选的电动汽车充电方式


大多数汽车均支持通过标准家用单相交流电(AC)电源进行充电,因此所有车主都可以利用夜间在家为汽车充电。现有各式各样的交流充电解决方案,如使用家用插座直接将汽车接至家用电源,或者使用将缆上控制和保护装置(IC-CPD)集成在一起的专用插座,或者使用壁挂式“专用充电墙“。这些解决方案一般在充电系统与汽车之间配备了通信接口,并内部集成接地和保护装置。

 

当然,电池本身要求用直流(DC)电源进行充电,汽车内置的充电装置必须将交流电转换为直流电。设计受限于空间、散热、效率和重量等,都在一定程度上限制了车载充电装置的输出功率和充电速度。

 

显然,未来的发展方向是提供非车载直流充电,这样一来,可能完全无需车载充电装置。


图1:各种可选的电动汽车充电方式


大容量电池如雨后春笋般在各个国家兴起,引发了一系列富于前瞻性的概念,将这些电源融入人们的日常电力需求。有人考虑将它们纳入太阳能电力系统,由住宅和商业建筑利用可再生能源发电来为电动汽车充电,电动汽车亦可在停电或用电高峰期间反过来供电。这种电动汽车与建筑相互供电(V2B)的方式,已经在美国底特律由菲亚特500e电动汽车组成的车队完成测试。[参考资料URL 11]

 

有人沿着这个思路进一步探索,提出从国家角度来考虑电力需求,通过实现电动汽车与电网双向互动(V2G),平衡电力需求,同时大力发展可再生能源。荷兰已经与三菱欧蓝德PHEV合作完成了V2G试验,这种电动汽车的电池蓄电量可达到普通家庭的日常用电量。[参考资料URL 13] 这种想法对电动汽车充电系统提出了很高的要求,因为它们不仅需要实现高效的交流/直流转换,而且还必须实现直流/交流转换,以将电力反馈回电网。充电标准已反映了V2B和V2G需求,但关于如何在国内或国际具体实现的规定还不够清晰。

 

其他选项如换电,似乎并未得到广泛支持。然而,在特定市场如印度,这种解决方案仍具一定吸引力,主要面向双轮及三轮车和巴士。[参考资料5和6]

 

感应充电这项技术通过将电能从停车位地下的线圈,传送至集成在汽车内部的线圈。虽然这种充电方案已经广泛用于手机,但在目前,受线圈损耗以及可传送的电能大小等制约,在电动汽车充电使用中较少。


图2:多种不同充电方式


快速直流充电


如果要像给普通汽车加油那样便捷地为电动汽车充电,必须能够提供大功率充电。典型的22 kW交流充电系统,用时约120分钟即可达到200公里续航里程,适用于车主在上班期间在停车场给电动汽车充电。要将200公里续航里程的充电时间缩短至16分钟,则需要借助150 kW直流充电系统。当功率达到350 kW时,仅需7分钟左右即可完成相同续航里程,用时和在加油站加油差不多。值得注意的是,充电时间的长短也受限于电动汽车的电池。

 

快速直流充电的最终目标,在系统架构以及可支持的输出电压和充电功率等方面的标准化。输入电压300 Vac到400 Vac之间,再通过交流/直流和直流/直流转换器,将之转换为电动汽车需要的直流电压。数据传输通道用以提供关于汽车和电池充电状态的信息,还需要确保数据安全来处理计费。


图3:电动汽车直流充电系统的基本结构


目前直流充电功率上限高达350 kW,当前大多数充电功率在50 kW左右。电源连接器定义考虑到了未来的高功率输出要求,可支持最高1000 Vdc、200 A输出。

 

对于在家充电,功率输出受限于电源输出。尽管可以接入两相或三相电源,但专用充电墙可支持的功率不超过22 kW。然而在停车场和高速路服务区,则可部署完备的充电站,能够实现大规模电动汽车充电。10 kV– 30 kV中压隔离变压器将为充电功率高达350 kW的大功率充电系统提供电源,助力其同时满负荷工作,以超快速度为多辆汽车充电。通过在变压器实现隔离,电源电路得以简化,整体能效大幅提高。

 

另一方面,多层或购物中心停车场也可部署充电站。这种充电桩在外观和尺寸上类似于加油机,将专门设计为提供最高150 kW充电功率。然而,这种充电桩是通过接入三相低压电网来获取电力,因此不能所有充电桩同时以满负荷运行。


图4:直流充电系统生态圈概览


专用充电墙或充电桩,即上文描述的直立式装置。这些装置的实现形式多种多样,既可以是单个充电模块,也可以是多个充电模块并联,允许今后随着需求的变化而升级为更高充电功率。

 

充电模块目前可以在15 kW到20 kW功率范围内将交流电转换为直流电。随着市场日益要求加快充电速度,使用50 kW左右甚或更高功率的功率模块的趋势已初露端倪。充电模块本身由分立元件或功率模块组成,在很大程度上取决于所要实现的设计技术规格。


建立在标准化之上


新能源汽车的发展给许多行业造成了不同程度的冲击,市场上出现了一些过去从未或很少接触汽车行业的参与者。其中的例外,是那些长期以来一直与半导体行业保持合作关系的汽车制造商。在这个日益发展的市场上,它们也是将其他一些参与者联系起来的中间环节。

 

如今,汽车制造商并不运营加油站,同样,它们也不会把主要精力放在电动汽车充电基础设施上面,这件事留给充电系统制造商去做,它们在开发类似应用的电源管理解决方案方面,已经积累了丰富的经验。由充电运营商来安装和管理充电设施,它们将着眼于选用最高效率、最经济划算的解决方案。它们的后端将进行需求预测,优化定价,同时建立安全支付机制。拼图的最后一块,是电力供应商,必须有它们的支持,才能确保这个庞大的基础设施项目顺利实现,确保电力供应。

 

围绕充电桩本身,已经采取了标准化措施,以确保为消费者提供安全、简便、通用的充电系统。在欧洲和美国,包括英飞凌在内的有关各方已纷纷加入CharIN e. V.,这个组织致力于研发和推广联合充电系统 (CCS)。其技术规范对汽车充电作了详细的规定,从充电顺序和数据通信,到充电插头类型等等。也有类似组织制定其他标准,如日本的CHAdeMO和中国的GB/T等,而特斯拉则拥有自己的专有系统。

 

CharIN标准支持一个连接器既可以进行交流充电,又可以进行直流充电,并且已获得许多国家和国际标准机构的批准。交流充电符合IEC 61851第1条和第22条的规定,直流充电符合第1条和第23条的规定。对于插头和插座,应参考IEC 62196第2部分关于2型交流连接器的规定,和第3部分Combo 2直流连接器(欧盟)和第1部分Combo 1连接器(美国)的规定。


(未完待续)




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