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，有了強大的家用充電選項，其效率通過使用 SiC 半導體得到了提高。

為了保護氣候，減少溫室氣體排放至關重要。除其他外，電動汽車在減少這些排放方面發(fā)揮著重要作用。越來越多的電動汽車 (EV) 與充電站的基礎設施密切相關：路上的電動汽車越多，可用的充電點就越多，而基礎設施的改善反過來又會激勵一些人改用電動汽車。此外，日益增長的電動汽車正在推動新的、更強大的電池的開發(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地方同時為大量車輛充電。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，越來越多的電動汽車和充電站對電網(wǎng)的穩(wěn)定性構成了負擔。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)充電點適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動。通過雙向充電，電動汽車的電池還可以轉換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。例如，智能聯(lián)網(wǎng)充電點適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動。通過雙向充電，電動汽車的電池還可以轉換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。例如，智能聯(lián)網(wǎng)充電點適合通過幫助優(yōu)化和集中管理充電來防止波動。通過雙向充電，電動汽車的電池還可以轉換為私人住宅、工業(yè)建筑和電網(wǎng)的緩沖器。

不同的充電理念

大約 60% 的歐洲電動汽車用戶擁有自己的充電站。這些充電點通常以交流電為基礎，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，為電動汽車的電池充滿電需要幾個小時。然而，要使用這些充電站，電動汽車需要一個集成的車載充電器 (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 22 kW。因此，100 千瓦時電池的充電時間約為 5 小時，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汽車充電不到一小時，使用超快速充電站，時間進一步減少到20分鐘。與交流版本相比，直流充電站有一個集成轉換器，可將交流電從市電轉換為直流電。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中受益。例如，您自己的四面墻的一個變體是 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)結合使用。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生直流電，可通過 DC/DC 轉換器直接向車輛電池充電。此外，可以安裝能量存儲系統(tǒng) (ESS) 以使用多余的能量。儲能系統(tǒng)與充電站、電動和混合動力汽車以及光伏系統(tǒng)相結合，形成一個獨立的系統(tǒng)，可以優(yōu)化能源需求和發(fā)電量。ESS 也是回收電動汽車舊電池的理想選擇。雖然它們不再適合作為車輛的儲能設備，容量在 70% 到 80% 之間，但它們可以用于要求不高的應用，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，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向有源電力交換。因此，電動汽車可用于負載控制，從而優(yōu)化電網(wǎng)負載。如果發(fā)生短缺，儲存在車輛電池中的能量會回流并穩(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，直流充電站是否會被私人家庭廣泛接受，最終取決于原始設備制造商。關鍵因素是 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限制，因此OBC的充電功率是有限的。直流充電時，轉換器沒有集成在電動汽車中，而是直接安裝在充電站中，因此可以在電動汽車的建設中節(jié)省組件，降低生產(chǎn)價格。同時，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撲結構和合適的組件，可以實現(xiàn)更高的功率密度。由于其性價比，硅 IGBT 主導著當今的電動汽車。SiC MOSFET 的成本可以通過節(jié)省其他組件在系統(tǒng)級得到補償，因為基于 SiC MOSFET 的轉換器可以在比采用硅 IGBT 的轉換器更高的開關頻率下運行。

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)境溫度下運行并實現(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)中實現(xiàn)了這一點。

直流充電站的拓撲結構

事實上，充電站確實由不同的拓撲結構組成。充電系統(tǒng)通常由兩個轉換器級組成。AC/DC 級將來自市電的 AC 電壓轉換為 DC 電壓，然后通過 DC/DC 級適應電池電壓。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（如果尚未在主側實施）。

圖 2：直流充電站的三級拓撲。

三級拓撲比二級拓撲需要更多的組件，并且具有更高的柵極控制復雜性（尤其是在雙向配置中），這會導致系統(tǒng)尺寸增加。但是，三級解決方案可降低總開關損耗并平衡 EMC 特性。

相比之下，兩級拓撲中的組件數(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，兩電平拓撲結構還可以實現(xiàn)低開關損耗和高效率。因此，即使充電電壓范圍為 200 V 至 800 V，碳化硅技術也非常適用于直流壁箱。

拓撲的選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 類似的拓撲結構，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務支出有關，這對于私人家庭或公共充電點來說幾乎不值得。為此，通常采用拓撲隔離的充電站來確保充電過程中的安全。

結論

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間。此外，直流充電站技術意味著電動汽車內(nèi)部有更多可用空間，因為轉換器的電源直接位于充電點?？焖俪潆娬?(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，還是在主機廠的手中。他們必須確保轉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