車庫高效直流充電站詳解

直流 (DC) 快速充電站主要用于公共場所，而交流 (AC) 充電概念主要用于私人家庭。然而，現(xiàn)在有了 DC Wallbox，有了強(qiáng)大的家用充電選項(xiàng)，其效率通過使用 SiC 半導(dǎo)體得到了提高。

為了保護(hù)氣候，減少溫室氣體排放至關(guān)重要。除其他外，電動(dòng)汽車在減少這些排放方面發(fā)揮著重要作用。越來越多的電動(dòng)汽車 (EV) 與充電站的基礎(chǔ)設(shè)施密切相關(guān)：路上的電動(dòng)汽車越多，可用的充電點(diǎn)就越多，而基礎(chǔ)設(shè)施的改善反過來又會(huì)激勵(lì)一些人改用電動(dòng)汽車。此外，日益增長的電動(dòng)汽車正在推動(dòng)新的、更強(qiáng)大的電池的開發(fā)，降低電池的成本，并使制造具有更大容量和續(xù)航里程的車輛成為可能。為了開發(fā)具有更高功率密度的電池，高充電容量是必不可少的，特別是如果要在一個(gè)地方同時(shí)為大量車輛充電。為此，正在開發(fā)新的充電概念。然而，特別是在城市和大都市，越來越多的電動(dòng)汽車和充電站對電網(wǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成了負(fù)擔(dān)。因此需要概念來確保持續(xù)的穩(wěn)定性。例如，智能聯(lián)網(wǎng)充電點(diǎn)適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動(dòng)。通過雙向充電，電動(dòng)汽車的電池還可以轉(zhuǎn)換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。例如，智能聯(lián)網(wǎng)充電點(diǎn)適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動(dòng)。通過雙向充電，電動(dòng)汽車的電池還可以轉(zhuǎn)換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。例如，智能聯(lián)網(wǎng)充電點(diǎn)適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動(dòng)。通過雙向充電，電動(dòng)汽車的電池還可以轉(zhuǎn)換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。

不同的充電理念

大約 60% 的歐洲電動(dòng)汽車用戶擁有自己的充電站。這些充電點(diǎn)通常以交流電為基礎(chǔ)，輸出功率在 3.7 千瓦至 11 千瓦之間；在極少數(shù)情況下，為 22 kW。因此，為電動(dòng)汽車的電池充滿電需要幾個(gè)小時(shí)。然而，要使用這些充電站，電動(dòng)汽車需要一個(gè)集成的車載充電器 (OBC)。交流充電站也用于公共停車場或購物中心。這種交流充電站的輸出功率通常高達(dá) 22 kW。因此，100 千瓦時(shí)電池的充電時(shí)間約為 5 小時(shí)，具體取決于 OBC 充電功率。

如果電池需要快速充電，快速充電柱是正確的選擇。它們具有高額定功率，介于 50 至 350 kW 之間，主要用于公共停車場和大型充電站。根據(jù)電池的大小，使用快速充電站為電動(dòng)汽車充電不到一小時(shí)，使用超快速充電站，時(shí)間進(jìn)一步減少到20分鐘。與交流版本相比，直流充電站有一個(gè)集成轉(zhuǎn)換器，可將交流電從市電轉(zhuǎn)換為直流電。這允許將電力直接饋入車輛的電池。即使是私人家庭和公司也可以從使用直流電的固定充電點(diǎn)中受益。例如，您自己的四面墻的一個(gè)變體是 DC 墻盒（圖 1)，輸出功率為 22 kW。

DC Wallbox 可輕松安裝在您的車庫中，并可輕松與光伏 (PV) 系統(tǒng)結(jié)合使用。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生直流電，可通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接向車輛電池充電。此外，可以安裝能量存儲(chǔ)系統(tǒng) (ESS) 以使用多余的能量。儲(chǔ)能系統(tǒng)與充電站、電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車以及光伏系統(tǒng)相結(jié)合，形成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，可以優(yōu)化能源需求和發(fā)電量。ESS 也是回收電動(dòng)汽車舊電池的理想選擇。雖然它們不再適合作為車輛的儲(chǔ)能設(shè)備，容量在 70% 到 80% 之間，但它們可以用于要求不高的應(yīng)用，例如 ESS。這些所謂的“二次電池”(SLB) 為充電站提供靈活的電力流，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向有源電力交換。因此，電動(dòng)汽車可用于負(fù)載控制，從而優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)載。如果發(fā)生短缺，儲(chǔ)存在車輛電池中的能量會(huì)回流并穩(wěn)定電網(wǎng) (V2G)。

DC 的要求

在某種程度上，用戶行為對于充電概念的發(fā)展具有重要意義。然而，直流充電站是否會(huì)被私人家庭廣泛接受，最終取決于原始設(shè)備制造商。關(guān)鍵因素是 OBC，它需要集成到每輛車中，以便通過交流充電站充電。由于汽車中使用的部件的空間和功率密度有技術(shù)限制，因此OBC的充電功率是有限的。直流充電時(shí)，轉(zhuǎn)換器沒有集成在電動(dòng)汽車中，而是直接安裝在充電站中，因此可以在電動(dòng)汽車的建設(shè)中節(jié)省組件，降低生產(chǎn)價(jià)格。同時(shí)，還有更多可用空間可用于提高車輛本身的效率。最終，?

通過為功率級別選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和合適的組件，可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。由于其性價(jià)比，硅 IGBT 主導(dǎo)著當(dāng)今的電動(dòng)汽車。SiC MOSFET 的成本可以通過節(jié)省其他組件在系統(tǒng)級得到補(bǔ)償，因?yàn)榛?SiC MOSFET 的轉(zhuǎn)換器可以在比采用硅 IGBT 的轉(zhuǎn)換器更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

此外，碳化硅具有優(yōu)異的材料特性，例如正向電阻的增加最小。與硅組件相比，這可以實(shí)現(xiàn)更大的封裝小型化和節(jié)能?；?SiC 的組件可以在更高的環(huán)境溫度下運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)非常高的效率。充電站還可以配備不同類型的 SiC MOSFET。羅姆已經(jīng)在批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

直流充電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

事實(shí)上，充電站確實(shí)由不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。充電系統(tǒng)通常由兩個(gè)轉(zhuǎn)換器級組成。AC/DC 級將來自市電的 AC 電壓轉(zhuǎn)換為 DC 電壓，然后通過 DC/DC 級適應(yīng)電池電壓。DC/DC 級還可調(diào)節(jié)充電電流并提供安全操作所需的電流隔離（如果尚未在主側(cè)實(shí)施）。

圖 2：直流充電站的三級拓?fù)洹?/p>

三級拓?fù)浔榷壨負(fù)湫枰嗟慕M件，并且具有更高的柵極控制復(fù)雜性（尤其是在雙向配置中），這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸增加。但是，三級解決方案可降低總開關(guān)損耗并平衡 EMC 特性。

相比之下，兩級拓?fù)渲械慕M件數(shù)量明顯減少，并且可以減小系統(tǒng)尺寸。通過使用現(xiàn)代 SiC 技術(shù)，兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和高效率。因此，即使充電電壓范圍為 200 V 至 800 V，碳化硅技術(shù)也非常適用于直流壁箱。

拓?fù)涞倪x擇取決于快速充電站各自的隔離要求。如果自然電壓已經(jīng)隔離，則不需要復(fù)雜的 DC/DC 電路，通常用于所謂的“充電公園”。另外，直流充電站通常使用與 OBC 類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡管它們具有寬電壓輸出和空氣冷卻。這些孤立的線路與高昂的財(cái)務(wù)支出有關(guān)，這對于私人家庭或公共充電點(diǎn)來說幾乎不值得。為此，通常采用拓?fù)涓綦x的充電站來確保充電過程中的安全。

結(jié)論

與交流充電站相比，直流充電站具有更高的功率密度和更短的充電時(shí)間。此外，直流充電站技術(shù)意味著電動(dòng)汽車內(nèi)部有更多可用空間，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的電源直接位于充電點(diǎn)。快速充電站 (DC) 在公共場所尤為常見，但也有適用于私人家庭的直流充電概念，例如 DC 墻盒。這很容易安裝在您自己的車庫中，并且可以連接到家庭光伏系統(tǒng)。使用?功率半導(dǎo)體?基于碳化硅優(yōu)化了功率密度、系統(tǒng)尺寸和成本。然而，私人直流充電站能否真正流行起來，還是在主機(jī)廠的手中。他們必須確保轉(zhuǎn)換器集成在充電站中，而不是作為車載充電器集成在車輛中。節(jié)省的空間可以更有效地使用，使車輛更有能力。

審核編輯：湯梓紅