具有专用电力电子解决方案的三种方案

随着重型或商用车辆电气化获得更多的认可，为比电动客车更大的电池充电变得越来越重要。时间就是金钱，特别是在物流方面，首选选项是提高充电功率或分配空闲时间充电。这些偏好导致三种不同的充电方案。

方案1：充电站充电方式与车队运营

现代电池技术与先进功率半导体解决方案允许设计高效的基础设施。上图描绘了公交车队的充电站充电方式。

充电站充电是当地车队运营的最佳选择，尤其是公交汽车与运输车辆。这些车辆在相对固定的线路运行，并在夜晚时段空闲。

这些充电方式可以降低对充电功率的需求，并提供了更多的能量管理选项。其中包括固定电池，将公交汽车充电时间与能量过剩时间分离也成为一种选择。

现在常见的电池电动公交的电池电容在250kWh到500kWh之间，能够在不充电的情况下运行一班。单个depot充电器整夜只能为一辆车充电，即使6小时内为500 kWh的80%充电，70kW也足够了。当然，这是乘以整个充电站必须同时充电的车辆数量。

如图2，典型的充电器原理图包括可以适应直流链路电压的输入级、输出整流器和中间的隔离级。

图2：双向充电器示意图和推荐部件

通常来说，充电器采用模块化方法从可以堆积输出功率的子系统中构建。大多数标准设计每个子系统的功率为15-60 kW，元件的选择因功率输出需求和冷却偏好而不同。虽然10kW至15kW的强制空气冷却机组广泛采用离散设备，但更高功率机组使用液体冷却，主要由多个功率模块构成。

并联装置是另一种增加功率输入的选择，但同时也建立了功能系统冗余。这样系统可以在较低功率下运行，以防止因单个模块发生故障，导致整个系统损坏。

充电站充电同样也可以作用在二级网格服务。固定储能有助于降低电网负荷，在高能量需求期间，也可以支持电网。定时充电与负载均衡也成为一种选择。充电时间与过剩能源周期一致，可能导致夜间能源价格更低甚至为负。

具有固定时间表的车队不需要同时充满电。车辆之间的能量共享也是可能的，而那些未被列入计划的车辆可以为储能做出贡献。从整体上来讲，充电站作为较大的工业区或许可以成为太阳能发电站。

方案2：机会充电

沿着预定路线行驶的车队可以通过更频繁地增加少量能量来延长行驶里程。这被称为“机会充电”，如果以完全自动化的方式进行，效果最好。

以下有两种机会充电的推荐解决方案。

 被称为受电弓的机械系统，允许大型电触点移动更远的距离，并安全地与对应触点接触。经验证可靠的技术，受电弓可以广泛应用在有轨电车与铁路应用。受电弓根据安装位置分为自上而下和自下而上系统。自下而上系统安装在车辆上，并与车站联系。自上而下系统是车站的一部分，并下降到车辆上。如图3显示了如何设置受电弓充电。

图3：用于机会充电的自上而下受电弓

基础设施的建设仍然局限在路边。因此，在当地有合适的电源供应的情况下，可以建造这样的装置来升级现有的电站。由于这类情况很少发生，通过电池储存的缓冲站是一种广泛接受的解决方案，以将车辆的高功率充电与固定电池的再充电分开。

通常应用125kW-250kW的功率水平。

在开始充电之前，充电电压与电流在车站和车辆电池管理系统之间对齐。由于涉及高功率，通过受电弓充电始终是直流充电，直接接入车辆电池。

对于未来安装，受电弓是推荐的解决方案，特别是自动驾驶汽车，它不涉及需要精确处理的插头或电线。系统可以轻松地处理不同高度的车辆，并且可以被构造成容忍车站和车辆之间的错位。

同样，像是智能手机等移动设备，考虑升级无线电力传输（WPT）以满足大规模能量传输的需求。SAE J2594详细描述了车载系统的无线电力传输。无线充电系统本质上有两个独立的部分，它们通过磁通量交换能量。为了避免浪费过多的能量转化效率，SAE J2594将至少达到80%的能量转化效率设置为目标。如图4 所示，在80-140 kHz频率范围内运行的串联补偿谐振电路可用于满足这一要求。

图4：串联补偿谐振无线电力传输设置

许多输入整流器拓扑值得考虑，包括作为成本优化解决方案或基于晶闸管版本的静态二极管整流器。Vienna整流器是常见的解决方案，因为它具有更好的EMI性能，可以减少过滤所需的工作量，以及可调的直流链路电压。按标准要求，使用80至140 kHz的高开关频率驱动发送线圈，可以考虑使用具有低开关损耗的IGBTs或SiC-MOSFETs用于DC-DC转换阶段。

感应充电器必须安装在车辆可以碾压的地方。与受电弓相比，严重影响了基础设施，特别是公共交通。因此，感应充电是一个适合半公共区域的解决方案。例如，机场行李车可以受益于无线电力传输，因为功率水平、涉及的能量和地形条件符合应用程序的要求。。

方案3：长途运行

由于长途物流的需要，在随机的路线上旅行需要像今天的加油站一样单独进行高功率充电。这种高功率充电需要成为现有基础设施的一部分，以实现电动卡车与移动行业的无缝融合。。

直流电压高达1500V，最大充电电流高达3000A，可以以超过2MW的速率充电。

在2MW下充电，500kWh再行驶300公里可以在15分钟内完成，这是司机必须遵守法律要求的休息时间。然而，400 V以下的城市低压三相电网不支持这一功率水平。

在这种情况下，必须将中压本地供电作为先决条件。虽然固定电池缓冲是一个潜在的选择，存储容量将变得相对较大。

在兆瓦级的情况下，必须使用中压变压器作为充电器是一个很有前途的选择。与其扩大乘用车充电的结构，不如采用电解的成熟方案。图5描述了相关的大功率设置。

图5：具有B12C的高功率充电拓扑，也称为B6C-2P

这种方法仅具有单级能量转换的功能，将电流隔离级从较小的单个转换器替换为中压变压器，可将功率转换级的效率提高到99%以上。同时，可以最大限度的减少每kW安装的资源数量，并由扁平状元件组装减少空间需求。

当进入兆瓦时管理体制时，基于晶闸管的解决方案将卓越的效率与胶囊型设备前所未有的寿命和可靠性结合起来。

基础设施系统需要大量周期运行，并对服务时间提出了意想不到的期望。设计者需要考虑在设计的早期阶段考虑这两个因素。尽管技术与拓扑可能过时，但高效、低成本、降低空间需求使其成为显而易见的选择。当未来自动驾驶商用车需要更高额定功率以减少充电时间时，该方法将至关重要，因为驾驶员不需要休息。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.9.5