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    下一代商用電動汽車的先進充電解決方案

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-09-13
     
     

    具有專用電力電子解決方案的三種方案

    隨著重型或商用車輛電氣化獲得更多的認可,為比電動客車更大的電池充電變得越來越重要。時間就是金錢,特別是在物流方面,首選選項是提高充電功率或分配空閑時間充電。這些偏好導致三種不同的充電方案。

    方案1:充電站充電方式與車隊運營

    現代電池技術與先進功率半導體解決方案允許設計高效的基礎設施。上圖描繪了公交車隊的充電站充電方式。

    充電站充電是當地車隊運營的最佳選擇,尤其是公交汽車與運輸車輛。這些車輛在相對固定的線路運行,并在夜晚時段空閑。

    這些充電方式可以降低對充電功率的需求,并提供了更多的能量管理選項。其中包括固定電池,將公交汽車充電時間與能量過剩時間分離也成為一種選擇。

    現在常見的電池電動公交的電池電容在250kWh到500kWh之間,能夠在不充電的情況下運行一班。單個depot充電器整夜只能為一輛車充電,即使6小時內為500 kWh的80%充電,70kW也足夠了。當然,這是乘以整個充電站必須同時充電的車輛數量。

    如圖2,典型的充電器原理圖包括可以適應直流鏈路電壓的輸入級、輸出整流器和中間的隔離級。


    2雙向充電器示意圖和推薦部件

    通常來說,充電器采用模塊化方法從可以堆積輸出功率的子系統中構建。大多數標準設計每個子系統的功率為15-60 kW,元件的選擇因功率輸出需求和冷卻偏好而不同。雖然10kW至15kW的強制空氣冷卻機組廣泛采用離散設備,但更高功率機組使用液體冷卻,主要由多個功率模塊構成。

    并聯裝置是另一種增加功率輸入的選擇,但同時也建立了功能系統冗余。這樣系統可以在較低功率下運行,以防止因單個模塊發生故障,導致整個系統損壞。

    充電站充電同樣也可以作用在二級網格服務。固定儲能有助于降低電網負荷,在高能量需求期間,也可以支持電網。定時充電與負載均衡也成為一種選擇。充電時間與過剩能源周期一致,可能導致夜間能源價格更低甚至為負。

    具有固定時間表的車隊不需要同時充滿電。車輛之間的能量共享也是可能的,而那些未被列入計劃的車輛可以為儲能做出貢獻。從整體上來講,充電站作為較大的工業區或許可以成為太陽能發電站。

    方案2:機會充電

    沿著預定路線行駛的車隊可以通過更頻繁地增加少量能量來延長行駛里程。這被稱為“機會充電”,如果以完全自動化的方式進行,效果最好。

    以下有兩種機會充電的推薦解決方案。

     被稱為受電弓的機械系統,允許大型電觸點移動更遠的距離,并安全地與對應觸點接觸。經驗證可靠的技術,受電弓可以廣泛應用在有軌電車與鐵路應用。受電弓根據安裝位置分為自上而下和自下而上系統。自下而上系統安裝在車輛上,并與車站聯系。自上而下系統是車站的一部分,并下降到車輛上。如圖3顯示了如何設置受電弓充電。


    3:用于機會充電的自上而下受電弓

    基礎設施的建設仍然局限在路邊。因此,在當地有合適的電源供應的情況下,可以建造這樣的裝置來升級現有的電站。由于這類情況很少發生,通過電池儲存的緩沖站是一種廣泛接受的解決方案,以將車輛的高功率充電與固定電池的再充電分開。

    通常應用125kW-250kW的功率水平。

    在開始充電之前,充電電壓與電流在車站和車輛電池管理系統之間對齊。由于涉及高功率,通過受電弓充電始終是直流充電,直接接入車輛電池。

    對于未來安裝,受電弓是推薦的解決方案,特別是自動駕駛汽車,它不涉及需要精確處理的插頭或電線。系統可以輕松地處理不同高度的車輛,并且可以被構造成容忍車站和車輛之間的錯位。

    同樣,像是智能手機等移動設備,考慮升級無線電力傳輸(WPT)以滿足大規模能量傳輸的需求。SAE J2594詳細描述了車載系統的無線電力傳輸。無線充電系統本質上有兩個獨立的部分,它們通過磁通量交換能量。為了避免浪費過多的能量轉化效率,SAE J2594將至少達到80%的能量轉化效率設置為目標。如圖4 所示,在80-140 kHz頻率范圍內運行的串聯補償諧振電路可用于滿足這一要求。


    4:串聯補償諧振無線電力傳輸設置

    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或基于晶閘管版本的靜態二極管整流器。Vienna整流器是常見的解決方案,因為它具有更好的EMI性能,可以減少過濾所需的工作量,以及可調的直流鏈路電壓。按標準要求,使用80至140 kHz的高開關頻率驅動發送線圈,可以考慮使用具有低開關損耗的IGBTs或SiC-MOSFETs用于DC-DC轉換階段。

    感應充電器必須安裝在車輛可以碾壓的地方。與受電弓相比,嚴重影響了基礎設施,特別是公共交通。因此,感應充電是一個適合半公共區域的解決方案。例如,機場行李車可以受益于無線電力傳輸,因為功率水平、涉及的能量和地形條件符合應用程序的要求。。

    方案3:長途運行

    由于長途物流的需要,在隨機的路線上旅行需要像今天的加油站一樣單獨進行高功率充電。這種高功率充電需要成為現有基礎設施的一部分,以實現電動卡車與移動行業的無縫融合。。

    直流電壓高達1500V,最大充電電流高達3000A,可以以超過2MW的速率充電。

    2MW下充電,500kWh再行駛300公里可以在15分鐘內完成,這是司機必須遵守法律要求的休息時間。然而,400 V以下的城市低壓三相電網不支持這一功率水平。

    在這種情況下,必須將中壓本地供電作為先決條件。雖然固定電池緩沖是一個潛在的選擇,存儲容量將變得相對較大。

    在兆瓦級的情況下,必須使用中壓變壓器作為充電器是一個很有前途的選擇。與其擴大乘用車充電的結構,不如采用電解的成熟方案。圖5描述了相關的大功率設置。



    5:具有B12C的高功率充電拓撲,也稱為B6C-2P

    這種方法僅具有單級能量轉換的功能,將電流隔離級從較小的單個轉換器替換為中壓變壓器,可將功率轉換級的效率提高到99%以上。同時,可以最大限度的減少每kW安裝的資源數量,并由扁平狀元件組裝減少空間需求。

    當進入兆瓦時管理體制時,基于晶閘管的解決方案將卓越的效率與膠囊型設備前所未有的壽命和可靠性結合起來。

    基礎設施系統需要大量周期運行,并對服務時間提出了意想不到的期望。設計者需要考慮在設計的早期階段考慮這兩個因素。盡管技術與拓撲可能過時,但高效、低成本、降低空間需求使其成為顯而易見的選擇。當未來自動駕駛商用車需要更高額定功率以減少充電時間時,該方法將至關重要,因為駕駛員不需要休息。

    中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

    2022.9.5




     
    關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
    本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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