【導讀】隨著(zhù)重型或商用車(chē)輛的電氣化越來(lái)越被認可，給比電動(dòng)汽車(chē)更大的電池充電變得越來(lái)越重要。因為時(shí)間就是金錢(qián)，尤其是在物流方面，首選方案是增加充電功率或分配充電的空閑時(shí)間。這些偏好導致了三種不同的充電場(chǎng)景。
專(zhuān)用電力電子解決方案的三種場(chǎng)景
隨著(zhù)重型或商用車(chē)輛的電氣化越來(lái)越被認可，給比電動(dòng)汽車(chē)更大的電池充電變得越來(lái)越重要。因為時(shí)間就是金錢(qián)，尤其是在物流方面，首選方案是增加充電功率或分配充電的空閑時(shí)間。這些偏好導致了三種不同的充電場(chǎng)景。
場(chǎng)景1: 停車(chē)場(chǎng)充電和車(chē)隊運營(yíng)
現代電池技術(shù)和尖端功率半導體解決方案使高效基礎設施的設計成為可能。上圖描繪了當代停車(chē)場(chǎng)為公交車(chē)隊充電的情況。
停車(chē)場(chǎng)充電是當地車(chē)隊運營(yíng)的最佳選擇，尤其是公共汽車(chē)和送貨車(chē)輛。它們在相對固定的路線(xiàn)上運行，在夜間時(shí)段閑置。
這種形式的充電減少了對充電電源的需求，并提供了更多的能源管理選項。包括固定電池在內，將公交車(chē)充電時(shí)間與過(guò)剩能量的時(shí)間脫鉤也成為一種選擇。
今天常見(jiàn)的電動(dòng)公交車(chē)的電池容量從250到500千瓦時(shí)不等，這使它們能夠在不充電的情況下運行一個(gè)班次。單個(gè)停車(chē)場(chǎng)充電機只需要在夜間為一輛汽車(chē)充電，即使在6小時(shí)內充電500千瓦時(shí)的80%，70千瓦也足夠了。當然，這要乘以整個(gè)停車(chē)場(chǎng)必須同時(shí)充電的車(chē)輛數量。
典型的充電機原理圖包括一個(gè)可適應直流鏈路電壓的輸入級、一個(gè)輸出整流器以及兩者之間的電流隔離級，如圖2所示。
圖2:雙向充電機原理圖和推薦元件
通常，充電機以模塊化方式從子系統中構建，這些子系統可以堆疊以增加輸出功率。大多數標準設計的特點(diǎn)是每個(gè)子系統15-60 kW，元件的選擇因功率輸出要求和冷卻偏好而異。盡管強制空氣冷卻范圍為10至15kW的單元廣泛采用分立器件，但功率較高的單元采用液體冷卻，主要由多個(gè)功率模塊構成。
并聯(lián)單元是增加輸出功率的另一種選擇，同時(shí)也建立了功能系統冗余。這樣做能夠在單個(gè)模塊出現故障的情況下以較低的功率運行系統，而不是失去整個(gè)系統。
停車(chē)場(chǎng)充電也為二次電網(wǎng)服務(wù)的使用打開(kāi)了大門(mén)。固定儲能有助于減少電網(wǎng)的負荷，在能源需求高的時(shí)候，甚至可以為電網(wǎng)提供支持。定期充電和負載平衡也成為一種選擇。充電時(shí)間可能會(huì )與過(guò)剩的能源周期保持一致，這可能會(huì )導致夜間的能源價(jià)格較低，甚至出現負值。
有固定時(shí)間表的車(chē)隊不需要同時(shí)充滿(mǎn)電。車(chē)輛之間共享能源也是可能的，那些沒(méi)有計劃投入使用的車(chē)輛可以貢獻它們儲存的能量?？傮w而言，作為較大工業(yè)區的停車(chē)場(chǎng)也可以成為太陽(yáng)能發(fā)電站。
場(chǎng)景2：機會(huì )充電
沿著(zhù)預定路線(xiàn)運營(yíng)的車(chē)隊車(chē)輛可以通過(guò)更頻繁地增加較少的能量來(lái)擴大行駛里程。這被稱(chēng)為機會(huì )充電，如果它以完全自動(dòng)化的方式進(jìn)行，效果最好。
機會(huì )充電有兩種推薦的解決方案。
被稱(chēng)為受電弓的機械系統允許大型電觸點(diǎn)在更遠的距離上移動(dòng)，并安全地與其對應物接觸。受電弓是一種經(jīng)過(guò)驗證的可靠技術(shù)，廣泛地應用于有軌電車(chē)和鐵路應用中。受電弓根據安裝位置分為自上而下和自下而上兩種系統。自下而上的方法是系統安裝在車(chē)輛上，并與車(chē)站聯(lián)系。自上而下的機械系統是車(chē)站的一部分，并被下放到車(chē)輛上。圖3顯示了如何設置受電弓充電。
圖3：機會(huì )充電的自上而下的受電弓
基礎設施的建設仍限于路邊。因此，可以建造這樣的設施，以升級當地有合適電源的現有電站。由于這種情況很少發(fā)生，因此通過(guò)電池存儲來(lái)緩沖充電站是一種被廣泛接受的解決方案，這可以將車(chē)輛的高功率充電與固定電池的再充電分開(kāi)。
通常我們會(huì )采用125-250 kW的功率水平。
在開(kāi)始充電過(guò)程之前，充電電壓和電流在充電站和車(chē)輛的電池管理系統之間保持一致。由于所涉及的高功率，通過(guò)受電弓充電的始終會(huì )是直接接觸車(chē)輛電池的直流充電。
對于未來(lái)的安裝，受電弓是推薦的解決方案，特別是對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)，因為它不涉及需要精確處理的插頭或電線(xiàn)。這些系統可以很容易地處理不同高度的車(chē)輛，并且可以在構造上允許車(chē)站和車(chē)輛之間的錯位。
這在智能手機等移動(dòng)設備上也很受歡迎，可以考慮升級無(wú)線(xiàn)電力傳輸(WPT)以適應大規模能源傳輸的需求。SAE J2594詳細描述了車(chē)輛規模系統的無(wú)線(xiàn)功率傳輸。無(wú)線(xiàn)充電系統本質(zhì)上有兩個(gè)獨立的部分，都通過(guò)磁通量交換能量。為了避免犧牲過(guò)多的傳輸效率，SAE J2594為它們設定了至少達到80%傳輸效率的目標。如圖4所示，工作頻率范圍為80-140 kHz的串聯(lián)補償諧振電路可以用來(lái)滿(mǎn)足這一要求。
圖4：串聯(lián)補償諧振WPT設置
許多輸入整流器拓撲值得考慮，包括作為成本優(yōu)化解決方案的靜態(tài)二極管整流器或基于晶閘管的版本。Vienna整流器是一種常見(jiàn)的解決方案，因為它擁有出色的EMI性能，可以減少濾波所需的工作量，并且具有可調的直流鏈路電壓。根據標準要求，在80至140 kHz的高開(kāi)關(guān)頻率下驅動(dòng)發(fā)送線(xiàn)圈，可以考慮使用低開(kāi)關(guān)損耗的IGBTs或用于直流-直流轉換級的碳化硅MOSFET。
感應式充電機必須安裝在車(chē)輛可以到達的地方。與受電弓相反，它會(huì )嚴重影響到基礎設施，特別是公共交通。因此，感應式充電對于半公共區域來(lái)說(shuō)，是一種合適的解決方案。例如，機場(chǎng)行李手推車(chē)可以受益于無(wú)線(xiàn)電力傳輸，因為其功率水平、所涉及的能量和地形條件都符合應用的要求。
場(chǎng)景3：?jiǎn)为氶L(cháng)途運營(yíng)
按照長(cháng)途物流的要求，在隨機路線(xiàn)上旅行需要單獨的高功率充電，這類(lèi)似于現在的加油站。這種高功率充電需要成為現有基礎設施的一部分，以便將電動(dòng)卡車(chē)無(wú)縫集成到移動(dòng)領(lǐng)域。
使用高達1500 V的直流電壓和高達3000 A的最大充電電流，以超過(guò)2 MW的充電便成為可能。
在2兆瓦的充電條件下，充電 500千瓦時(shí)可以在大約15分鐘內完成，可再行駛300公里，這很好地涵蓋了司機必須遵守法律要求的休息時(shí)間。然而，城市400V以下的低壓三相電網(wǎng)將無(wú)法支持這一功率水平。
在這種情況下，必須考慮在本地供電的前提條件是中壓供電。雖然使用固定電池進(jìn)行緩沖是一種潛在的選擇，但存儲容量將變得相對較大。
我們不得不使用中壓變壓器，這為兆瓦級充電機提供了一個(gè)有前途的選擇。我們想到的不是按比例增加用于給客車(chē)充電的結構，而是沿用電解中已被廣泛接受的方案。圖5描述了相關(guān)的高功率設置。
圖5：采用B12C的大功率充電拓撲圖，也稱(chēng)為B6C-2P
這種方法只有一個(gè)能量轉換級，將電流隔離級從較小的單個(gè)轉換器轉移到中壓變壓器，可以將功率轉換級的效率提高到99%以上。同時(shí)，它最大限度地減少了每千瓦安裝的資源數量，由壓制元件構建的器件減少了空間需求。
當進(jìn)入兆瓦級時(shí)，基于晶閘管的解決方案將出色的效率與膠囊型設備前所未有的壽命和可靠性結合在一起。
這樣的基礎設施系統需要大量的運行周期，并對服務(wù)時(shí)間提出了特別的期望。在設計的早期階段，設計人員需要考慮這兩個(gè)因素。盡管技術(shù)和拓撲可能看起來(lái)過(guò)時(shí)了，但更高的效率、更低的成本和更小的空間要求使其成為顯而易見(jiàn)的選擇。當未來(lái)的自動(dòng)駕駛商用車(chē)需要更高的額定功率以進(jìn)一步減少充電時(shí)間時(shí)，這種方法將至關(guān)重要，因為司機不需要休息。
（來(lái)源：Littelfuse公司）
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