【導讀】隨著重型或商用車輛的電氣化越來越被認可，給比電動汽車更大的電池充電變得越來越重要。因為時間就是金錢，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間。這些偏好導致了三種不同的充電場景。
專用電力電子解決方案的三種場景
隨著重型或商用車輛的電氣化越來越被認可，給比電動汽車更大的電池充電變得越來越重要。因為時間就是金錢，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間。這些偏好導致了三種不同的充電場景。
場景1: 停車場充電和車隊運營
現代電池技術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場為公交車隊充電的情況。
停車場充電是當地車隊運營的最佳選擇，尤其是公共汽車和送貨車輛。它們在相對固定的路線上運行，在夜間時段閑置。
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，將公交車充電時間與過剩能量的時間脫鉤也成為一種選擇。
今天常見的電動公交車的電池容量從250到500千瓦時不等，這使它們能夠在不充電的情況下運行一個班次。單個停車場充電機只需要在夜間為一輛汽車充電，即使在6小時內充電500千瓦時的80%，70千瓦也足夠了。當然，這要乘以整個停車場必須同時充電的車輛數量。
典型的充電機原理圖包括一個可適應直流鏈路電壓的輸入級、一個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是每個子系統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，主要由多個功率模塊構成。
并聯單元是增加輸出功率的另一種選擇，同時也建立了功能系統冗余。這樣做能夠在單個模塊出現故障的情況下以較低的功率運行系統，而不是失去整個系統。
停車場充電也為二次電網服務的使用打開了大門。固定儲能有助于減少電網的負荷，在能源需求高的時候，甚至可以為電網提供支持。定期充電和負載平衡也成為一種選擇。充電時間可能會與過剩的能源周期保持一致，這可能會導致夜間的能源價格較低，甚至出現負值。
有固定時間表的車隊不需要同時充滿電。車輛之間共享能源也是可能的，那些沒有計劃投入使用的車輛可以貢獻它們儲存的能量。總體而言，作為較大工業區的停車場也可以成為太陽能發電站。
場景2：機會充電
沿著預定路線運營的車隊車輛可以通過更頻繁地增加較少的能量來擴大行駛里程。這被稱為機會充電，如果它以完全自動化的方式進行，效果最好。
機會充電有兩種推薦的解決方案。
被稱為受電弓的機械系統允許大型電觸點在更遠的距離上移動，并安全地與其對應物接觸。受電弓是一種經過驗證的可靠技術，廣泛地應用于有軌電車和鐵路應用中。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輛上，并與車站聯系。自上而下的機械系統是車站的一部分，并被下放到車輛上。圖3顯示了如何設置受電弓充電。
圖3：機會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生，因此通過電池存儲來緩沖充電站是一種被廣泛接受的解決方案，這可以將車輛的高功率充電與固定電池的再充電分開。
通常我們會采用125-250 kW的功率水平。
在開始充電過程之前，充電電壓和電流在充電站和車輛的電池管理系統之間保持一致。由于所涉及的高功率，通過受電弓充電的始終會是直接接觸車輛電池的直流充電。
對于未來的安裝，受電弓是推薦的解決方案，特別是對于自動駕駛汽車，因為它不涉及需要精確處理的插頭或電線。這些系統可以很容易地處理不同高度的車輛，并且可以在構造上允許車站和車輛之間的錯位。
這在智能手機等移動設備上也很受歡迎，可以考慮升級無線電力傳輸(WPT)以適應大規模能源傳輸的需求。SAE J2594詳細描述了車輛規模系統的無線功率傳輸。無線充電系統本質上有兩個獨立的部分，都通過磁通量交換能量。為了避免犧牲過多的傳輸效率，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的串聯補償諧振電路可以用來滿足這一要求。
圖4：串聯補償諧振WPT設置
許多輸入整流器拓撲值得考慮，包括作為成本優化解決方案的靜態二極管整流器或基于晶閘管的版本。Vienna整流器是一種常見的解決方案，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的高開關頻率下驅動發送線圈，可以考慮使用低開關損耗的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輛可以到達的地方。與受電弓相反，它會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說，是一種合適的解決方案。例如，機場行李手推車可以受益于無線電力傳輸，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。
場景3：單獨長途運營
按照長途物流的要求，在隨機路線上旅行需要單獨的高功率充電，這類似于現在的加油站。這種高功率充電需要成為現有基礎設施的一部分，以便將電動卡車無縫集成到移動領域。
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間。然而，城市400V以下的低壓三相電網將無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有前途的選擇。我們想到的不是按比例增加用于給客車充電的結構，而是沿用電解中已被廣泛接受的方案。圖5描述了相關的高功率設置。
圖5：采用B12C的大功率充電拓撲圖，也稱為B6C-2P
這種方法只有一個能量轉換級，將電流隔離級從較小的單個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，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。
當進入兆瓦級時，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，并對服務時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因素。盡管技術和拓撲可能看起來過時了，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的選擇。當未來的自動駕駛商用車需要更高的額定功率以進一步減少充電時間時，這種方法將至關重要，因為司機不需要休息。
（來源：Littelfuse公司）
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