[技术文章]面向下一代商用电动汽车的高级充电解决方案

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技术文章

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作者：Littelfuse公司

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。首选方案是增加充电功率或分配充电的空闲时间，这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

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。

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。

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组件

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，组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

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。

受电弓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。

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。
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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。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。
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，由压制组件构建的器件减少了空间需求。

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