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車載充電技術(shù)正在蓬勃發(fā)展

2021-10-21 09:48:57·  來(lái)源：汽車與新動(dòng)力  
　
更高的充電功率縮短了電動(dòng)汽車電池充電的時(shí)間，但由此也提升了車載充電技術(shù)的復(fù)雜性。研究人員通過對(duì)充電器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得日益復(fù)雜的技術(shù)需求有望實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)
更高的充電功率縮短了電動(dòng)汽車電池充電的時(shí)間，但由此也提升了車載充電技術(shù)的復(fù)雜性。研究人員通過對(duì)充電器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得日益復(fù)雜的技術(shù)需求有望實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)乘用車通常會(huì)使用400 V充電基礎(chǔ)設(shè)施，更加昂貴的800 V技術(shù)往往適用于具有更高功率需求的貨車或城市客車。保時(shí)捷Taycan是第1款運(yùn)用800 V技術(shù)量產(chǎn)的電動(dòng)汽車。現(xiàn)代汽車集團(tuán)全新的電動(dòng)全球模塊化平臺(tái)（E-GMP）可通過采用專利化技術(shù)以支持其充電基礎(chǔ)設(shè)施、控制電機(jī)和變頻器的電壓提升過程，使該數(shù)值從400 V增加到800 V。奧迪優(yōu)質(zhì)電動(dòng)平臺(tái)（PPE）基礎(chǔ)設(shè)施采用了800 V技術(shù)，從而使充電功率從150 kW增加到270 kW。
意法半導(dǎo)體（ST）微電子功率晶體管宏分部的寬帶隙技術(shù)營(yíng)銷人員 Gianfranco DiMarco對(duì)此提到，在同樣電流下，800 V系統(tǒng)具有輸送雙倍功率的優(yōu)勢(shì)，以此縮短了直流快充時(shí)間，也相應(yīng)減小了電阻損耗，并提升了電壓，該方案對(duì)使用更小的電纜，以及減小充電器冷卻需求會(huì)產(chǎn)生有利的影響。

這些優(yōu)勢(shì)意味著800 V基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)車載充電器（OBC）設(shè)計(jì)有著更高要求。車載充電器可處理從電網(wǎng)到電池的電流，并且需要直流電系統(tǒng)來(lái)為電池進(jìn)行充電。交流充電需要在車輛充電插口和電池之間布設(shè)1個(gè)轉(zhuǎn)換器。
Sprint Power首席執(zhí)行官Richie Frost對(duì)此提到，800 V車載充電系統(tǒng)比單相充電系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，并可采用單相充電方式，由此需要配備1個(gè)車載交流-直流轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)提升了成本。通過采用更快速的直流充電方案，電池系統(tǒng)需要采用額外的功率電流接觸器，以及電池管理系統(tǒng)中的附加軟件，由此可與車載充電器進(jìn)行通信，所有的快速充電控制電子器件都可采用外接模式。

Di Marco指出，車載充電器的驅(qū)動(dòng)功率通常比變頻器和高壓直流-直流轉(zhuǎn)換器更低，其最高數(shù)值通常為43 kW。然而，更多的車輛僅能匹配到7 kW的單相電力OBC或者達(dá)到22 kW的三相電力OBC。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因，如要實(shí)現(xiàn)更快的充電速率，研究人員通常需要為其配備1個(gè)額外的直流充電器。

效率增加

由于質(zhì)量會(huì)影響到車輛續(xù)航，因此OBC的質(zhì)量和尺寸非常重要。Bel PowerSolutions產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理FrankVondenhoff對(duì)此提到，研究人員需要增加轉(zhuǎn)換頻率，以此減小OBC的體積和質(zhì)量。對(duì)于450 V系統(tǒng)而言，研究人員為其選用了碳化硅（SiC）及金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。對(duì)于850 V電池而言，研究人員為其選用了碳化硅MOSFET。VislC產(chǎn)品經(jīng)理Elijah Bunin提到，相比650 V的基礎(chǔ)設(shè)施，800 V的基礎(chǔ)設(shè)施必須保持低頻率，其效率也低于400 V的基礎(chǔ)設(shè)施。800 V的基礎(chǔ)設(shè)施電流限值與絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或SiC的使用有關(guān)。SiC的表現(xiàn)比IGBT更好，所以使用1 200 V設(shè)備的系統(tǒng)可以進(jìn)一步改良性能指標(biāo)。額定值900 V的GaN設(shè)備可提供更高的轉(zhuǎn)換效率，以及更低的能量損失。
Di Marco提到，SiC當(dāng)前代表OBC功率設(shè)備的最優(yōu)選擇，意法半導(dǎo)體相信由于較低的功率和電壓需求，GaN半導(dǎo)體將會(huì)有著更廣闊的潛力。通過技術(shù)開發(fā)，SiC將保持高使用率，但從長(zhǎng)期來(lái)看，GaN有望成為最佳設(shè)計(jì)方案。
較高的OBC效率意味著系統(tǒng)對(duì)熱管理有更低的需求，但該需求是有代價(jià)的。Vonderhoff提到，較高的效率會(huì)導(dǎo)致更高的成本，當(dāng)前，OBC產(chǎn)品在名義輸出功率下達(dá)到的效率約為95%～96%，如將該數(shù)據(jù)增加到97%～98%，則意味著更高的復(fù)雜性和成本。

Bunin提到，全新的OBC開發(fā)拓?fù)?，例如圖騰柱（totem pole）功率因子校正（PFC）可提升充電效率。對(duì)于雙向充電技術(shù)而言，研究人員需要選用雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器及PFC部件。對(duì)于直流-直流轉(zhuǎn)換器而言，VislC采用了1個(gè)全新的C-LLC拓?fù)?，或雙主動(dòng)橋拓?fù)?。目前，為?shí)現(xiàn)輔助熱管理，研究人員可提供許多解決方案，例如表面貼裝技術(shù)（SMT）功率設(shè)備。

Vonderhoff提到，高功率充電基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)前在電網(wǎng)中更常見，例如Lonity安裝了350 kW電源。維護(hù)上述系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)更高的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試要求。為此，研究人員需要花費(fèi)更多的開發(fā)時(shí)間測(cè)試OBC是否符合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。
Di Marco補(bǔ)充提到，在高功率的直流充電站中，充電器需要從電網(wǎng)獲得能量來(lái)源。全球的功率供應(yīng)包括440 V的線電壓，如須滿足車輛電池需求，該電壓值應(yīng)轉(zhuǎn)換到400 V。通過采用800 V系統(tǒng)，研究人員也需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。充電器可能也會(huì)直接連接到具有較高電壓的分配網(wǎng)上。SiC將會(huì)用在功率為50 kW的快速充電器中，進(jìn)一步支持逐步提升的電壓和功率需求。

疊塊方法

Di Marco繼續(xù)提到，短期內(nèi)如果期望安裝快速充電器，其大致比率如下，每銷售50臺(tái)電動(dòng)汽車即可安裝1個(gè)充電器?？紤]到為例的發(fā)展，由于充電功率的增加，以及平均充電時(shí)間的降低，每個(gè)充電器所對(duì)應(yīng)的純電動(dòng)汽車的數(shù)量將有所增加。意法半導(dǎo)體也相信，未來(lái)將有1個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)，即圍繞疊塊方法設(shè)計(jì)構(gòu)建充電器，并與OBC具有同樣的線路架構(gòu)。

未來(lái)的拓?fù)浜茈y預(yù)測(cè)，但Vonderhoff提到，貝爾當(dāng)前的OBC將會(huì)引進(jìn)15 kW的單相分相車載充電器，并在單個(gè)盒中集成直流-直流轉(zhuǎn)換器。對(duì)于美國(guó)市場(chǎng)而言，伴隨的是1款功率為25 kW的液冷式車載充電器，其直流輸出范圍為250～800 V。目前，貝爾方面的管理人員正在與燃料電池制造商洽談，以開發(fā)下一代直流-直流轉(zhuǎn)換器。
Bunin提到，由于為電動(dòng)汽車充電的功率需求有所增加，車輛到電網(wǎng)（V2G）技術(shù)變得更加重要。V2G需要實(shí)現(xiàn)雙向充電，VislC的雙向拓?fù)湟馕吨擃愒O(shè)備的頻率需要調(diào)整到200 kHz以上。對(duì)于雙向直流-直流系統(tǒng)而言，研究人員可以使用同樣的設(shè)備。

現(xiàn)代的全新Loniq 5車型和起亞EV6車型同樣能提供從車輛到負(fù)荷（Vehicle toLoad）的充電。Vondenhoff提到，該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，車輛可以在輸出模式下創(chuàng)建自己的電網(wǎng)，并可以用電池來(lái)為三相裝備充電。在充電模式下，車輛甚至能夠?yàn)槠渌囕v的電池充電（V2V）。
在未來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)能否起到更重要的作用？Frost對(duì)此提到，目前面臨的主要問題為基礎(chǔ)設(shè)施。目前，Sprint Power正在開發(fā)能實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的出租車，其為1個(gè)清晰的應(yīng)用方案。從長(zhǎng)期來(lái)看，無(wú)線充電技術(shù)是一大特色，因?yàn)檐囕v在停車后，就能進(jìn)行充電。

Frost相信，交流充電系統(tǒng)將會(huì)逐漸消失。車載交流-直流轉(zhuǎn)換器將會(huì)逐步淘汰，因?yàn)楫?dāng)有更多的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)時(shí)，客戶充電將不再需要交流充電設(shè)施。傳統(tǒng)的交流充電技術(shù)需要1個(gè)轉(zhuǎn)換器，其需要進(jìn)行液冷或空冷，并且也是車輛上額外的附加質(zhì)量。 
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