面向下一代商用电动汽车的高级充电解决方案

随着重型或商用车辆的电气化越来越被认可，给比电动汽车更大的电池充电变得越来越重要。因为时间就是金钱，尤其是在物流方面，首选方案是增加充电功率或分配充电的空闲时间。这些偏好导致了三种不同的充电场景。

专用电力电子解决方案的三种场景

随着重型或商用车辆的电气化越来越被认可，给比电动汽车更大的电池充电变得越来越重要。因为时间就是金钱，尤其是在物流方面，首选方案是增加充电功率或分配充电的空闲时间。这些偏好导致了三种不同的充电场景。

场景1: 停车场充电和车队运营

现代电池技术和尖端功率半导体解决方案使高效基础设施的设计成为可能。上图描绘了当代停车场为公交车队充电的情况。

停车场充电是当地车队运营的最佳选择，尤其是公共汽车和送货车辆。它们在相对固定的路线上运行，在夜间时段闲置。

这种形式的充电减少了对充电电源的需求，并提供了更多的能源管理选项。包括固定电池在内，将公交车充电时间与过剩能量的时间脱钩也成为一种选择。

今天常见的电动公交车的电池容量从250到500千瓦时不等，这使它们能够在不充电的情况下运行一个班次。单个停车场充电机只需要在夜间为一辆汽车充电，即使在6小时内充电500千瓦时的80%，70千瓦也足够了。当然，这要乘以整个停车场必须同时充电的车辆数量。

典型的充电机原理图包括一个可适应直流链路电压的输入级、一个输出整流器以及两者之间的电流隔离级，如图2所示。

图2:双向充电机原理图和推荐元件

通常，充电机以模块化方式从子系统中构建，这些子系统可以堆叠以增加输出功率。大多数标准设计的特点是每个子系统15-60 kW，元件的选择因功率输出要求和冷却偏好而异。尽管强制空气冷却范围为10至15kW的单元广泛采用分立器件，但功率较高的单元采用液体冷却，主要由多个功率模块构成。

并联单元是增加输出功率的另一种选择，同时也建立了功能系统冗余。这样做能够在单个模块出现故障的情况下以较低的功率运行系统，而不是失去整个系统。

停车场充电也为二次电网服务的使用打开了大门。固定储能有助于减少电网的负荷，在能源需求高的时候，甚至可以为电网提供支持。定期充电和负载平衡也成为一种选择。充电时间可能会与过剩的能源周期保持一致，这可能会导致夜间的能源价格较低，甚至出现负值。

有固定时间表的车队不需要同时充满电。车辆之间共享能源也是可能的，那些没有计划投入使用的车辆可以贡献它们储存的能量。总体而言，作为较大工业区的停车场也可以成为太阳能发电站。

场景2：机会充电

沿着预定路线运营的车队车辆可以通过更频繁地增加较少的能量来扩大行驶里程。这被称为机会充电，如果它以完全自动化的方式进行，效果最好。

机会充电有两种推荐的解决方案。

被称为受电弓的机械系统允许大型电触点在更远的距离上移动，并安全地与其对应物接触。受电弓是一种经过验证的可靠技术，广泛地应用于有轨电车和铁路应用中。受电弓根据安装位置分为自上而下和自下而上两种系统。自下而上的方法是系统安装在车辆上，并与车站联系。自上而下的机械系统是车站的一部分，并被下放到车辆上。图3显示了如何设置受电弓充电。

图3：机会充电的自上而下的受电弓

基础设施的建设仍限于路边。因此，可以建造这样的设施，以升级当地有合适电源的现有电站。由于这种情况很少发生，因此通过电池存储来缓冲充电站是一种被广泛接受的解决方案，这可以将车辆的高功率充电与固定电池的再充电分开。

通常我们会采用125-250 kW的功率水平。

在开始充电过程之前，充电电压和电流在充电站和车辆的电池管理系统之间保持一致。由于所涉及的高功率，通过受电弓充电的始终会是直接接触车辆电池的直流充电。

对于未来的安装，受电弓是推荐的解决方案，特别是对于自动驾驶汽车，因为它不涉及需要精确处理的插头或电线。这些系统可以很容易地处理不同高度的车辆，并且可以在构造上允许车站和车辆之间的错位。

这在智能手机等移动设备上也很受欢迎，可以考虑升级无线电力传输(WPT)以适应大规模能源传输的需求。SAE J2594详细描述了车辆规模系统的无线功率传输。无线充电系统本质上有两个独立的部分，都通过磁通量交换能量。为了避免牺牲过多的传输效率，SAE J2594为它们设定了至少达到80%传输效率的目标。如图4所示，工作频率范围为80-140 kHz的串联补偿谐振电路可以用来满足这一要求。

图4：串联补偿谐振WPT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的静态二极管整流器或基于晶闸管的版本。Vienna整流器是一种常见的解决方案，因为它拥有出色的EMI性能，可以减少滤波所需的工作量，并且具有可调的直流链路电压。根据标准要求，在80至140 kHz的高开关频率下驱动发送线圈，可以考虑使用低开关损耗的IGBTs或用于直流-直流转换级的碳化硅MOSFET。

感应式充电机必须安装在车辆可以到达的地方。与受电弓相反，它会严重影响到基础设施，特别是公共交通。因此，感应式充电对于半公共区域来说，是一种合适的解决方案。例如，机场行李手推车可以受益于无线电力传输，因为其功率水平、所涉及的能量和地形条件都符合应用的要求。

场景3：单独长途运营

按照长途物流的要求，在随机路线上旅行需要单独的高功率充电，这类似于现在的加油站。这种高功率充电需要成为现有基础设施的一部分，以便将电动卡车无缝集成到移动领域。

使用高达1500 V的直流电压和高达3000 A的最大充电电流，以超过2 MW的充电便成为可能。

在2兆瓦的充电条件下，充电 500千瓦时可以在大约15分钟内完成，可再行驶300公里，这很好地涵盖了司机必须遵守法律要求的休息时间。然而，城市400V以下的低压三相电网将无法支持这一功率水平。

在这种情况下，必须考虑在本地供电的前提条件是中压供电。虽然使用固定电池进行缓冲是一种潜在的选择，但存储容量将变得相对较大。

我们不得不使用中压变压器，这为兆瓦级充电机提供了一个有前途的选择。我们想到的不是按比例增加用于给客车充电的结构，而是沿用电解中已被广泛接受的方案。图5描述了相关的高功率设置。

图5：采用B12C的大功率充电拓扑图，也称为B6C-2P

这种方法只有一个能量转换级，将电流隔离级从较小的单个转换器转移到中压变压器，可以将功率转换级的效率提高到99%以上。同时，它最大限度地减少了每千瓦安装的资源数量，由压制元件构建的器件减少了空间需求。

当进入兆瓦级时，基于晶闸管的解决方案将出色的效率与胶囊型设备前所未有的寿命和可靠性结合在一起。

这样的基础设施系统需要大量的运行周期，并对服务时间提出了特别的期望。在设计的早期阶段，设计人员需要考虑这两个因素。尽管技术和拓扑可能看起来过时了，但更高的效率、更低的成本和更小的空间要求使其成为显而易见的选择。当未来的自动驾驶商用车需要更高的额定功率以进一步减少充电时间时，这种方法将至关重要，因为司机不需要休息。