车库高效直流充电站详解

车库高效直流充电站详解,第1张

直流 (DC) 快速充电站主要用于公共场所,而交流 (AC) 充电概念主要用于私人家庭。然而,现在有了 DC Wallbox,有了强大的家用充电选项,其效率通过使用 SiC 半导体得到了提高。

为了保护气候,减少温室气体排放至关重要。除其他外,电动汽车在减少这些排放方面发挥着重要作用。越来越多的电动汽车 (EV) 与充电站的基础设施密切相关:路上的电动汽车越多,可用的充电点就越多,而基础设施的改善反过来又会激励一些人改用电动汽车。此外,日益增长的电动汽车正在推动新的、更强大的电池的开发,降低电池的成本,并使制造具有更大容量和续航里程的车辆成为可能。为了开发具有更高功率密度的电池,高充电容量是必不可少的,特别是如果要在一个地方同时为大量车辆充电。为此,正在开发新的充电概念。然而,特别是在城市和大都市,越来越多的电动汽车和充电站对电网的稳定性构成了负担。因此需要概念来确保持续的稳定性。例如,智能联网充电点适合通过帮助优化和集中管理充电来防止波动。通过双向充电,电动汽车的电池还可以转换为私人住宅、工业建筑和电网的缓冲器。例如,智能联网充电点适合通过帮助优化和集中管理充电来防止波动。通过双向充电,电动汽车的电池还可以转换为私人住宅、工业建筑和电网的缓冲器。例如,智能联网充电点适合通过帮助优化和集中管理充电来防止波动。通过双向充电,电动汽车的电池还可以转换为私人住宅、工业建筑和电网的缓冲器。

不同的充电理念

大约 60% 的欧洲电动汽车用户拥有自己的充电站。这些充电点通常以交流电为基础,输出功率在 3.7 千瓦至 11 千瓦之间;在极少数情况下,为 22 kW。因此,为电动汽车的电池充满电需要几个小时。然而,要使用这些充电站,电动汽车需要一个集成的车载充电器 (OBC)。交流充电站也用于公共停车场或购物中心。这种交流充电站的输出功率通常高达 22 kW。因此,100 千瓦时电池的充电时间约为 5 小时,具体取决于 OBC 充电功率。

如果电池需要快速充电,快速充电柱是正确的选择。它们具有高额定功率,介于 50 至 350 kW 之间,主要用于公共停车场和大型充电站。根据电池的大小,使用快速充电站为电动汽车充电不到一小时,使用超快速充电站,时间进一步减少到20分钟。与交流版本相比,直流充电站有一个集成转换器,可将交流电从市电转换为直流电。这允许将电力直接馈入车辆的电池。即使是私人家庭和公司也可以从使用直流电的固定充电点中受益。例如,您自己的四面墙的一个变体是 DC 墙盒(图 1),输出功率为 22 kW。

DC Wallbox 可轻松安装在您的车库中,并可轻松与光伏 (PV) 系统结合使用。光伏系统产生直流电,可通过 DC/DC 转换器直接向车辆电池充电。此外,可以安装能量存储系统 (ESS) 以使用多余的能量。储能系统与充电站、电动和混合动力汽车以及光伏系统相结合,形成一个独立的系统,可以优化能源需求和发电量。ESS 也是回收电动汽车旧电池的理想选择。虽然它们不再适合作为车辆的储能设备,容量在 70% 到 80% 之间,但它们可以用于要求不高的应用,例如 ESS。这些所谓的“二次电池”(SLB) 为充电站提供灵活的电力流,从而实现与电网的双向有源电力交换。因此,电动汽车可用于负载控制,从而优化电网负载。如果发生短缺,储存在车辆电池中的能量会回流并稳定电网 (V2G)。

DC 的要求

在某种程度上,用户行为对于充电概念的发展具有重要意义。然而,直流充电站是否会被私人家庭广泛接受,最终取决于原始设备制造商。关键因素是 OBC,它需要集成到每辆车中,以便通过交流充电站充电。由于汽车中使用的部件的空间和功率密度有技术限制,因此OBC的充电功率是有限的。直流充电时,转换器没有集成在电动汽车中,而是直接安装在充电站中,因此可以在电动汽车的建设中节省组件,降低生产价格。同时,还有更多可用空间可用于提高车辆本身的效率。最终, 

通过为功率级别选择合适的拓扑结构和合适的组件,可以实现更高的功率密度。由于其性价比,硅 IGBT 主导着当今的电动汽车。SiC MOSFET 的成本可以通过节省其他组件在系统级得到补偿,因为基于 SiC MOSFET 的转换器可以在比采用硅 IGBT 的转换器更高的开关频率下运行。

此外,碳化硅具有优异的材料特性,例如正向电阻的增加最小。与硅组件相比,这可以实现更大的封装小型化和节能。基于 SiC 的组件可以在更高的环境温度下运行并实现非常高的效率。充电站还可以配备不同类型的 SiC MOSFET。罗姆已经在批量生产中实现了这一点。

直流充电站的拓扑结构

事实上,充电站确实由不同的拓扑结构组成。充电系统通常由两个转换器级组成。AC/DC 级将来自市电的 AC 电压转换为 DC 电压,然后通过 DC/DC 级适应电池电压。DC/DC 级还可调节充电电流并提供安全操作所需的电流隔离(如果尚未在主侧实施)。

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图 2:直流充电站的三级拓扑。

三级拓扑比二级拓扑需要更多的组件,并且具有更高的栅极控制复杂性(尤其是在双向配置中),这会导致系统尺寸增加。但是,三级解决方案可降低总开关损耗并平衡 EMC 特性。

相比之下,两级拓扑中的组件数量明显减少,并且可以减小系统尺寸。通过使用现代 SiC 技术,两电平拓扑结构还可以实现低开关损耗和高效率。因此,即使充电电压范围为 200 V 至 800 V,碳化硅技术也非常适用于直流壁箱。

拓扑的选择取决于快速充电站各自的隔离要求。如果自然电压已经隔离,则不需要复杂的 DC/DC 电路,通常用于所谓的“充电公园”。另外,直流充电站通常使用与 OBC 类似的拓扑结构,尽管它们具有宽电压输出和空气冷却。这些孤立的线路与高昂的财务支出有关,这对于私人家庭或公共充电点来说几乎不值得。为此,通常采用拓扑隔离的充电站来确保充电过程中的安全。

结论

与交流充电站相比,直流充电站具有更高的功率密度和更短的充电时间。此外,直流充电站技术意味着电动汽车内部有更多可用空间,因为转换器的电源直接位于充电点。快速充电站 (DC) 在公共场所尤为常见,但也有适用于私人家庭的直流充电概念,例如 DC 墙盒。这很容易安装在您自己的车库中,并且可以连接到家庭光伏系统。使用 功率半导体 基于碳化硅优化了功率密度、系统尺寸和成本。然而,私人直流充电站能否真正流行起来,还是在主机厂的手中。他们必须确保转换器集成在充电站中,而不是作为车载充电器集成在车辆中。节省的空间可以更有效地使用,使车辆更有能力。

审核编辑:汤梓红

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