交流和直流充电的挑战可能会减缓电动汽车的普及

我们最近讨论了一个普及电动汽车的主要问题是城市基础设施中的“充电沙漠”。尽管许多公司都在通过诸如“弹式”充电枢纽和充电机器人等解决方案来解决这一问题，但采用电动汽车的一些挑战仍然存在于交流和直流充电的核心领域。

在这篇文章中，我们将看看交流和直流充电技术，并检查我们在设计大功率充电器时所面临的一些技术挑战。

充电器功率容量

下图展示了两种不同的电动汽车充电技术。

交流和直流充电差异。图片由德州仪器公司

交流充电器功率有限(小于22千瓦)，充满电需要更长的时间。根据充电器的功率大小和电池特性，充电时间可达12小时左右。如图所示，交流充电依靠板载电路从常用的交流电源产生高直流电压。

另一方面，直流充电器利用离板电路产生高直流电压(300-700 V)，直接应用于汽车电池管理系统(BMS)。一个直流充电器的功率等级可以从大约25千瓦到350千瓦。这大大减少了充电时间。

注意，充电器的功率容量决定了能量传递到电池的速率，从而决定了给电池充电所需的时间。下表比较了同一电池的交流充电器(1级和2级)和直流充电器的充电时间。

交流、直流充电次数比较。图片由德州仪器公司

电网峰值功率限制

直接从电网馈送多个大功率充电桩，可使电网输送的峰值功率增加到不可接受的水平。一篇文章从模拟设备储能系统可以提升电动汽车的快速充电基础设施解释说，当你在15分钟内同时为5辆典型电动汽车充电时，电网的峰值功率可以增加到1兆瓦以上。

综合可再生能源、电动汽车充电和能源存储的基础设施。图片由模拟设备

电网应该能提供15分钟的电力。考虑到这一点，城市规划者可能会投资改善电网，使其能够提供高水平的电力。但是，开发商可以利用当地的太阳能和风能等可再生能源发电，而不是投资于电网基础设施本身。这将减少电网应提供的峰值功率。

不幸的是，可再生能源产生的能量是断断续续的。因此，我们需要像大电池一样的能量存储系统来存储本地产生的能量，并在给电动汽车充电时使用。

管理产生的热量

要实现上面所描述的充电站，需要几个电力转换系统。考虑到我们正在处理的高功率水平，我们必须尽可能地减少损失。例如，一个350kw的充电器，1%的效率损失相当于3.5 kW的功耗。

这种功率以热量的形式消散，并增加系统温度。如果没有一个有效的热管理机制，所产生的热量会破坏系统。这就是为什么我们需要使用高效组件来设计系统。例如，使用碳化硅mosfet而不是硅igbt可以大大提高系统效率。

此外，我们可能需要液体冷却来控制电缆、连接器和电路产生的热量。

需要一个可靠的电池管理系统

当我们讨论集成可再生能源、能源存储和电动汽车充电的统一基础设施时，我们需要关于电池充电状态(SOC)和健康状态(SOH)的准确信息。通过避免电池过充或过放电，我们可以将电池寿命延长约30%。

当我们注意到几乎系统总成本的一半与电池有关时，这种寿命改善的重要性就变得明显起来。

结论

如果没有一个高效的充电基础设施，电动汽车的吸收可能是一个缓慢的过程。根据城市结构的不同，家庭充电和公共充电都可以成为理想的充电方案。对于快速充电器，我们面临着一些技术挑战，如电网峰值功率限制、热管理和对可靠电池管理系统的需求。