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为兼容电动汽车基础设施铺平道路

Vicor 中东、欧洲和非洲地区汽车业务高级现场应用工程师 Haris Muhedinovic 表示,车载转换可帮助电动汽车在任何充电站充电,这可解决 400V/800V 电动汽车快速充电不兼容的问题。

尽管公共基础设施无法满足 800VDC 的快速充电要求,但随着当前电动汽车主电池电压从 400V 提高到 800V,充电焦虑也在不断加剧。升级充电站基础设施并不是一个站得住脚的短期解决方案。兼容 400V 或 800V 的车载转换解决方案是一种更快、更全面的方法。采用这种方法无需投入大量资金,执行起来非常便捷。

DC 快速充电的不兼容性

不兼容问题主要集中在 DC 充电上,其通常用于时间与接入都非常有限的长途驾驶。AC 充电对于日常充电而言不是问题,因为现有电网基础设施 AC 充电相当方便。对于拥有电动汽车的人来说,这种充电方式很容易实现,而且可以在家里(夜间)或工作单位(白天)充电,充电速度并不重要。AC 充电是日常使用及短途驾驶的理想选择,对于每天 300 公里的行程而言,这是低成本而且有效的解决方案。

但在人们长途旅行时,他们需要在公共场所快速充电,比如在高速公路的服务区。在这种情况下,他们可以使用 DC 快速充电站。这些充电站需要超过 50kW 的电力,峰值可达 150kW 或 350kW。虽然 DC 充电的使用频率可能没有 AC 充电那么高,但提供一个这种类型的可靠网络来减少里程焦虑问题非常重要。2020 年,DC 充电网络拥有大约 40 万个可供公众充电的快速充电桩,其中很少有支持 800V 汽车。例如,欧洲总共有 4 万个充电桩,其中只有 400 个支持 800V 汽车。

当 OEM 厂商开始推出 800V 新款汽车时,这种 400V 和 800V 充电站之间的不平衡带来一个重大问题:为其充电的公共基础设施不足。

探索 DC 快速充电解决方案

一般来说,有两种方法可以解决 DC 快速充电问题:一种侧重于对充电站进行改造,而另一种则侧重于对车辆进行改造。

扩展充电站 DC 快速充电网络可缓解该问题,但它可能既不是最快的,也不是最划算的。扩展 DC 快速充电网络有两种途径:

  • 增加 800V 充电站:安装支持宽范围电压(从 250 到 920V)的全新 DC 快速充电站是一个解决方案,但这需要投入大量的时间和资金。今天,欧美大约有 1000 个提供 800V 充电的充电站,这只占所有已投入使用的 DC 充电站的 2%。为了应对 800V 电动汽车的增长,该网络需要增加成百上千个这类充电站。安装这么多新电站将耗时几年,而且成本极高。
  • 利用 400V 充电站:另一种方法是利用 400V 充电站,将其升级到也支持 800V,但这也会带来一系列其自身的挑战。以超高功率速率(> 150kW)充电并非永远可用,也并非总能实现(温度以及电池退化等问题)。此外,充电时间也会比 800V 的预期要慢。

使用模块化 DC-DC 虚拟电池进行车载充电,可提供高灵活性以及高达 99% 的效率。与扩展充电网络相比,车载转换解决方案是一种实现 400 或 800V 兼容的更全面方法。这种方法可以更快采用,无需在充电基础设施上投入资金。

800V 电池和 400V 充电器之间的不兼容问题可通过“电池虚拟化”解决。通过电池虚拟化,即使 800V 电池与车载充电器一端相连,该充电器也可在其另一端“看到” 一个 400V 电池。这种方法从电池电压开始,使其适应充电站可接受的电压范围(图 1)。

Battery virtualization illustration

图 1:  800V 电池和 400V 充电器之间的不兼容问题可通过“电池虚拟化”解决。通过电池虚拟化,即使 800V 电池与车载充电器一端相连,该充电器也可在其另一端“看到”一个 400V 电池。

这种方法从电池电压开始,使其适应充电站可接受的电压范围。

Vicor 高密度、高功率模块可用于实施 DC-DC 转换器车载充电解决方案,实现电池虚拟化,而不会增加尺寸、重量,也不会增加设计复杂度。

Vicor NBM™ 双向模块可转换数十千瓦的功率,不仅功率密度可达 550kW/ 升和 130kW/kg,使用的电源转换器尺寸和重量也都比分立式解决方案至少小 50%。Vicor 专有 SAC™(正弦振幅转换器)拓扑可确保一次侧和二次侧上的软开关,效率可达 99%。这种性能不仅意味着简洁的 EMC 设计,而且还可提供灵活的散热管理(图 2)。

NBM module image

图 2:  Vicor NBM 双向模块可转换数十千瓦的功率,不仅功率密度可达 550kW/ 升和 130kW/kg,使用的电源转换器尺寸和重量也都比分立式解决方案至少小 50%。

将电池连接至 NBM 模块的一侧,将立即虚拟化另一侧的电池,从而可按常数因子成倍增加或减小电压或电流。最终,NBM 模块可扩展充电站的电压范围 (250 ~ 460V 至 500 ~ 920V),这不仅可增加整体可用充电点的数量,同时还可使电动汽车与所有 DC 充电站兼容。

完美的动力系统设计和高带宽控制器可实现这种电池虚拟化。Vicor 封装技术不仅可简化装配与制造,而且还可提供电源的灵活性与可扩展性。OEM 厂商可使用相同的模块配置从 50 到 150kW 的可扩展充电电源包,无需额外的资质和认证。

使用电源模块的另一个原因

NBM 不仅能提供电池充电虚拟化,而且还能与动力电池集成,为低转速驾驶提供更高的效率。例如,市区驾驶需要较低的转速,800V 牵引逆变器的效率会显著降低 15% 以上。NBM 能够以这种辅助方式用一半的电池电压为逆变器供电,从而可将开关损耗锐减一半,增加行驶里程。这是集成的模块化供电方案如何优化供电网络的另一项优势,实现了部分利用 DC-DC 转换器保持最高效率。

使用车载升压转换,可在启动前消除里程焦虑

虽然充电站基础设施肯定会扩大,以满足电动汽车的增长需求,但仅靠扩建并不能解决 400V/800V 的兼容性问题。减少里程焦虑有效的解决方案是设计与所有 DC 快速充电器兼容的车载充电器。

Vicor 采用高性能电源模块的车载解决方案可实现 800V/400V 车辆与 DC 充电网络的全面兼容,能够以少的投入换来大的效益。Vicor 解决方案的尺寸和重量平均只有大多数分立式解决方案的一半,可提供极高的效率和可扩展性。,它能够转换数十千瓦的功率,实现高达 550kW/ 升和 130kW/kg 的功率密度。高功率密度、灵活性和高效率的完美结合,使 Vicor 电源模块成了解决 400V/800V 电动汽车充电兼容性问题的理想车载解决方案。

本文 最初由 Electronic Specifier 发表。

Haris Muhedinovic 与 OEM 厂商和 TIER 合作,为要求苛刻的汽车应用设计开发高性能电源解决方案。Haris 非常关注电源电子与电子系统,对工业新技术和新趋势了如指掌,因此他实施的电源解决方案可满足苛刻的规格要求。Haris 毕业于萨拉热窝大学,获理工科硕士学位,在电源电子设计与应用工程方面拥有长达 7 年的丰富经验。

Haris Muhedinovic

Haris Muhedinovic,高级现场应用工程师

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