快速充电站的需求与直流充电的参数

在400 V三相交流电网中,鉴于必须使用电源保险丝等元件,最大可用充电功率被限制为22 kW(32 A)或43 kW(63 A)。因此,想要实现大功率汽车电池快速充电,首选是在专用充电点进行直流(DC)充电。

于典型充电功

如今,电压约为400 V的电池组通常在快速直流充电点进行充电。由于典型充电功率最大为50 kW,续航里程为400 km的电池充一次电大约需要80分钟(图1)。 充电插头目前可提供的最大连续充电电流达到200 A,如今400 V系统可实现的充电功率最大为80 kW。因此在当下,想要突破充电50分钟行驶400 km的极限非常困难。

让电动汽车充电如同传统汽车“加油”一样方便——这一目标对于电动交通领域的基础设施发展至关重要。因此,为了更快地以相同的电流带来等量的功率输出,我们正在寻求更高的电压范围800–1000V。站在今天的角度来看,通过液冷式充电插头,未来充电技术有望将充电电流提高至350A。这就是说,在11分钟内保持1000 V的充电电压可实现400 km续航里程。

图1: 400 km续航里程的充电时间取决于可用的充电功率。

快速充电站应具备更高功率水平

未来的快速充电点必须提供高达350 kW的充电功率水平,并确保为不同电压和容量的汽车电池充电。 用于长途电动交通的大功率多点充电站(具有多个充电点)需要自行设立中压连接。

与需要连接汽车数小时的交流充电站相比,直流充电站无需将汽车电池的再生能量馈入电网(V2G功能)。电流仅从电网流入汽车电池中。

要实现高度的电网适应性、峰值负荷管理以及短暂断电期间的不间断运转能力,这些充电站可选配电池组与太阳能发电站。如果必须使用这些设施支持电网,则充电站必须配备具有负回馈功能的AFE(有源前端)电源整流器。

图2: 含多个直流快速充电点的充电站的基本电路图

充电基础设施的拓扑结构

含有多个直流充电点的充电站最广泛采用的拓扑结构由配备50 Hz变压器的中央厂区、用于谐波抑制和无功功率补偿的输入滤波器以及电网侧整流器组成。

每个充电点还包含一个汽车侧DC-DC变流器,用于调整和控制充电参数。如果每个充电点必须独立连接至电网,则充电点必须集成电源变压器、输入滤波器和电源整流器。

图3: AFE电源整流器

有源前端电源整流器

为尽量减小对系统的相位影响,还可将电源整流器配置为基于IGBT的AFE整流器,无需从选配的储能单元中回收电能。由于该整流器相当于升压变流器,充电点仅需安装降压变流器即可,即使需要以低输入电压生成高电池电压也毫无问题。

图4: 带电气隔离的DC-DC变流器(双有源桥)

带电气隔离的DC-DC变流器

为尽量降低汽车上的电气隔离成本,充电电压与供电电压之间必须实现电气隔离。对于自带电源连接的充电点,这可通过图2所示的电源变压器实现。鉴于高开关频率,DC-DC变流器内部的电气隔离能力具有一个优势,那就是能够使用超小型变压器。

这对于配备中央整流器的充电站中的充电点至关重要。DC-DC变流器高开关频率的另一大优势是电池侧输出提高开关频率所需的滤波要求降低。

图5:无线充电时电能传输的基本电路图

无线充电

充电过程还可以无线方式完成,即借助谐振模式下两个相对谐振电路之间的空气间隙实现感应电能传输。原边线圈位于地板中,副边线圈位于汽车底部。由于空气间隙可达到150 mm或以上,因此电能传输频率将介于10到100 kHz以上。电能传输可用的拓扑结构为充电站和汽车中各设置一个高频H桥(图5)。

如果原边线圈和副边线圈靠得足够近,两个H桥将在谐振模式下工作。可传输功率和效率受线圈的磁动势以及谐振电路的质量和耦合因子限制。在现今的轿车应用中,传输效率约为80%,可传输电能低于20 kW,因此无线充电的技术成本远高于有线充电。这些因素决定了无线充电在现今仍是一项利基解决方案。

用于直流快速充电点的赛米控产品