電動(dòng)車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
電動(dòng)車(chē)因其零尾氣排放和環(huán)保特性正在改變現(xiàn)代交通方式。到2020年，全球電動(dòng)車(chē)數(shù)量達(dá)到約850萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2040年將增長(zhǎng)58%。政府激勵(lì)措施和電池成本的下降推動(dòng)了這一發(fā)展，電池組成本已從每千瓦時(shí)1200美元降至150美元，預(yù)計(jì)到2030年將進(jìn)一步降至70美元。

圖1展示了純電動(dòng)汽車(chē)的基本架構(gòu)，顯示了從電網(wǎng)供電經(jīng)過(guò)各種轉(zhuǎn)換階段到牽引電機(jī)和輔助負(fù)載的功率流程。

充電系統(tǒng)分類
電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)根據(jù)功率傳輸方式分為三大類。車(chē)載充電器（OBC）集成在車(chē)輛內(nèi)部，包括專用和集成型兩種。非車(chē)載充電器作為外部充電站具有更高的功率能力。半車(chē)載充電器將組件分布在車(chē)輛和地面基礎(chǔ)設(shè)施之間，常用于無(wú)線充電應(yīng)用。

圖2展示了電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的完整分類，詳細(xì)說(shuō)明了車(chē)載、非車(chē)載和半車(chē)載充電技術(shù)之間的關(guān)系。

: A, O; p) ]: |- q2 G& _供電設(shè)備與通信
充電接口需要配備具有內(nèi)置安全和通信功能的復(fù)雜供電設(shè)備。
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圖3顯示了EVSE線路配置，包括用于安全充電操作和系統(tǒng)通信的控制導(dǎo)頻（CP）和臨近導(dǎo)頻（PP）線。
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功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)
現(xiàn)代車(chē)載充電器采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。兩級(jí)配置較為常見(jiàn)，包括功率因數(shù)校正（PFC）和DC-DC轉(zhuǎn)換階段。
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$ ^7 Q9 H; o9 g圖4展示了Delta-Q OBC線路配置，說(shuō)明交錯(cuò)升壓變換器和移相全橋變換器各階段。
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. q( |$ a. c7 `* w2 ~& G( N5 ?完整系統(tǒng)包含兩個(gè)功率階段的復(fù)雜控制機(jī)制。

8 n" ]: E7 Y8 m9 C# i- [/ }8 x4 N圖5展示了傳統(tǒng)升壓PFC車(chē)載充電器的完整架構(gòu)，包括功率元件和控制系統(tǒng)。
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控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
/ _1 c3 P( B2 v9 ]6 S控制架構(gòu)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，精確調(diào)節(jié)充電參數(shù)。

0 N9 h) j4 `- c圖6顯示了升壓PFC變換器(a)和隔離DC-DC變換器(b)的控制線路架構(gòu)，說(shuō)明雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。
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對(duì)于交錯(cuò)設(shè)計(jì)，多個(gè)控制環(huán)路協(xié)同工作。

, L" U9 o" P  x5 Y$ Z& Z) x! S圖7展示了具有雙電流控制環(huán)路的交錯(cuò)升壓PFC變換器控制器架構(gòu)。

系統(tǒng)響應(yīng)特性通過(guò)精心的控制器設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。
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5 R$ T" N! l$ a; i( V( j6 F圖8顯示PFC變換器傳遞函數(shù)的伯德圖：(a)無(wú)控制器的電流環(huán)，(b)無(wú)控制器的電壓環(huán)，(c)有控制器的電流環(huán)，(d)有控制器的電壓環(huán)。

性能分析
現(xiàn)代充電系統(tǒng)在各種工作條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定性能。高輸入電壓下的系統(tǒng)行為顯示出優(yōu)秀的調(diào)節(jié)能力。
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& J, A$ v2 R; C, w/ _" v$ X圖9展示了264V輸入時(shí)一級(jí)升壓PFC車(chē)載充電器的響應(yīng)，顯示輸入電流、DC鏈路電壓和輸出特性。
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低電壓運(yùn)行保持穩(wěn)定的性能特征。
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圖10展示了85V輸入時(shí)一級(jí)升壓PFC車(chē)載充電器的響應(yīng)，顯示在較低輸入電壓下的穩(wěn)定性能。
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8 }+ p4 }  X" h6 b' {# ^/ I比較分析揭示了不同拓?fù)浞椒ǖ膬?yōu)勢(shì)。
: t& V. I2 j8 i" Q
圖11顯示了升壓PFC和交錯(cuò)升壓PFC車(chē)載充電器的比較分析：(a)輸入功率因數(shù)，(b)輸入電流總諧波失真，(c)輸入紋波電流，(d)電池端輸出電壓紋波。
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標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
1 {- C0 p; r+ O+ \& g國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)充電實(shí)施。SAE J1772定義了多個(gè)充電等級(jí)：

AC Level 1在120V下運(yùn)行，功率達(dá)1.44kW

AC Level 2在208-240V下運(yùn)行，功率達(dá)14.4kW

DC充電等級(jí)支持200-600V運(yùn)行，功率輸出可達(dá)240kW

% N0 o( V3 u( ]$ x7 q) ACHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)多個(gè)版本演進(jìn)，從1.0版本的50kW能力發(fā)展到3.0版本的900kW。聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）提供350kW充電能力，區(qū)域變體包括北美和韓國(guó)使用的CCS-1，以及歐洲和澳大利亞市場(chǎng)使用的CCS-2。
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技術(shù)規(guī)格
5 M: `( U# {4 j$ X商用車(chē)載充電器系統(tǒng)通常實(shí)現(xiàn)85-264V AC的通用輸入電壓兼容性。輸出功率范圍從3.3kW到22kW，DC輸出電壓從200-650V。這些系統(tǒng)保持90%以上的峰值效率，同時(shí)提供精確的充電控制和保護(hù)功能。

. t- i- v2 {* J4 J2 e  t; vPFC階段維持單位功率因數(shù)運(yùn)行，同時(shí)最小化輸入電流失真。DC鏈路電壓調(diào)節(jié)確保中間母線電壓穩(wěn)定，具有最小紋波。隔離DC-DC階段提供電氣隔離和精確的電池充電電壓控制。
) x( L. u9 n8 s0 B
0 ]* k! I9 [7 `& s% G$ x現(xiàn)代車(chē)載充電器實(shí)現(xiàn)：
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功率因數(shù)超過(guò)0.99

輸入電流總諧波失真低于5%

輸出電壓紋波低于2%

系統(tǒng)效率達(dá)到90-95%
未來(lái)發(fā)展
電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)通過(guò)電力電子和控制系統(tǒng)的進(jìn)步持續(xù)發(fā)展。氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和改進(jìn)的效率。這些發(fā)展配合復(fù)雜的控制算法，增強(qiáng)充電系統(tǒng)性能，同時(shí)減小尺寸、重量和成本。

研究工作繼續(xù)在無(wú)線充電技術(shù)、超快充電系統(tǒng)和雙向功率流能力等領(lǐng)域展開(kāi)。這些進(jìn)步將支持電動(dòng)汽車(chē)日益增長(zhǎng)的需求，同時(shí)保持高標(biāo)準(zhǔn)的安全性和效率。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)發(fā)展確保不同地區(qū)和車(chē)輛平臺(tái)之間的互操作性和一致性能。
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高效充電基礎(chǔ)設(shè)施的成功部署對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛采用至為必要。電力電子、控制系統(tǒng)和充電協(xié)議的持續(xù)創(chuàng)新將推動(dòng)充電速度、效率和用戶便利性的改進(jìn)，支持全球向電動(dòng)出行的轉(zhuǎn)變。
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參考文獻(xiàn)
[1] D. Kishan, R. Kannan, B. D. Reddy, and P. Prabhakaran, Eds., Power Electronics for Electric Vehicles and Energy Storage. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2023.

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