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电动汽车快速充电:整体概览行业资讯

2022-12-24 17:27:48

在电动汽车领域,用于充电的电缆和连接器通常被称为“充电器”。带有专用硬件设备的交流 (AC) 插座,作为连接充电线和为车辆充电的接口被称为“充电器”。

电动汽车、电动动力总成和车辆电气化技术已经存在多年。事实上,第一辆电动汽车 (EV) 出现在19世纪后期。然而,近年来,人们对这种替代燃料技术的兴趣重生,尤其是在20世纪末。由于希望减少对气候的影响,该行业正在经历从内燃机 (ICE) 车辆的转变。基于ICE的车辆使用石油,这是一种日益稀缺的资源,严重污染环境,是导致气候变化的主要因素。

但三五年前,我们还没有看到电动汽车生态系统持续扩散的趋势,但行业并没有随着法规的出台、基础设施的部署的扩大而采取具体行动来推广插电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)车型,来提高电动汽车进入广阔市场的可及性。

近期新能源汽车加速发展的最重要驱动因素之一是全球政府对汽车制造商实施的排放监管政策。在欧洲,自2020年开始实施的更严格措施可能会对汽车制造商产生严重影响。这些规定将在未来几年逐渐变得更加严格。所以,汽车制造商正在迅速行动,并增加他们的BEV车型,预测到2025年将有300款车型上路。

在消费者端,过去几年政府一直通过向xEV车主提供不同性质的好处来支持向替代燃料汽车的过渡。从免税到免费停车和充电服务,再到高占用车辆 (HOV) 车道。此外,如果我们回顾最近的过去和现在,COVID-19 一直是并将继续是孵化电动化趋势的加速器。

这些力量正在刺激电动汽车和插电式混合动力汽车的销售增长,尤其是现在在欧洲。此前,中国一直是新能源汽车销量领先的国家,但最近几个月,欧洲销量赶上了中国,达到了140 万台,同比增长 137%。中国和美国的数字分别徘徊在134万和33万左右。

图1. 2020-2024年预计的xEV销量。

快速电动汽车充电基础设施:需求强劲增长

除了促进采用xEV的直接激励措施和法规外,其他变化也在加强向电动汽车的过渡。从历史上看,向新车型发展一直存在潜在障碍,最突出的障碍是:里程焦虑、xEV 汽车的价格,以及充电时间。

通过增加电池容量和提高车辆的千瓦时/公里比率,有望解决里程焦虑问题。近年来,BEV 的价格正在稳步下降,并且越来越接近更广泛的大众市场类别,同时还增加了车型。

剩下的最后一个障碍是充电时间,其中慢速(有效功率最高22kW)和快速系统(22-400kW )共存。慢速充电系统已经在家庭、公共停车场和工作场所停车场相对广泛使用。不同的是,快速充电系统大多在公共场所、商业区或充电站中可用,因为它们需要专用的电力基础设施,这意味着大量投资。慢速充电最高额定功率可以在约 50-60 分钟内提供 100 公里的续航里程,但也无法轻松部署在家庭中。

在较低的功率端,当使用直接连接到标准插座的专用电缆时,家庭和私人可以达到1.4–3.7kW的速率,但充足100公里的续航里程需要大约5小时(在3.7kW) 。相反,快速充电系统可以在不到十分钟的时间内提供这个续航范围。慢速充电可能是一个可行的解决方案,但显然并非适用于所有人。

因此,有效且可持续地向电动汽车过渡将需要部署快速充电基础设施,以跟上道路上纯电动汽车的增长步伐。不仅在数量上,而且在额定功率方面。功率越高,充电时间越短,这是一个重要因素,因为电池容量不断增加,技术也在不断改进,从而实现更高的峰值功率(更快的充电速率)。预测 2020年至2027年快速充电器的销量复合年增长率为31.8%,同期新能源汽车市场规模的复合年增长率为39.8%。

交流或直流充电:界限模糊

在电动汽车领域,用于充电的电缆和连接器通常被称为“充电器”。带有专用硬件设备的交流 (AC) 插座,作为连接充电线和为车辆充电的接口被称为“充电器”。

交流充电和直流充电是简单的概念,由于上述原因可能会变得模糊。本质上,区别在于将电力传输到车辆充电端口(而不是电池)的方式。

在交流充电模式下,来自电网的交流电通过交流电源插座或充电站输送到汽车中。汽车将通过车载充电器 (OBC) 管理AC/DC电源转换 ,并向电池提供直流电压和电流。在直流充电模式下,AC-DC 转换是通过车外充电器在车外进行的。

直流充电额定功率范围很广,因为车辆外部的空间、重量和热限制要宽松得多。因此,直流充电可能从甚至低于11kW 到高达400kW。当然,落在这些范围内的用例可能会有很大不同。另一点值得注意的是,并非所有车辆都接受高直流功率水平的充电。现在大多数发布的车辆通常可以在直流模式下支持至少 50kW 的速率。

图2. 交流充电和直流充电概念图。

交流充电通常被称为“慢速充电”,因为它的功率最高通常为 22 kW,充电所需的时间较长。交流较高功率范围(11–22 kW)有时可能被称为“高功率交流充电”或“快速交流充电”,但没有实际定义。另一方面,那些额定功率为22kW甚至高达400kW的直流充电器被认为是“快速”。术语“超快”也被用于 50kW 以上的功率,但没有实际明确的界限或定义。

现在部署的最常见的直流功率范围为22-150kW,功率范围在200-350kW之间。快速和超快速直流充电器通常仅在可接入三相电源连接到电网的专用区域公开使用。迄今为止沿高速公路的充电站可能会有多个超快速充电器(>150kWeach)。此类设施需要来自电网的专用高压变压器。

充电率和次数

首先要,为了明确充电时间的概念,以60 kWh电池和100 kW直流充电器的车辆为例,可以得出以下结论:

充电时间=60kWh /100 kW = 36分钟

行驶里程=60 kWh/(18kWh/100km) = ~ 333公里

必须考虑到并非所有道路上的车辆都可以支持高达100kW的直流充电率,目前发布的车型之间的实际变化通常在50 kW以下和250 kW以上。同样,以kWh/100 km比率衡量的车辆效率也存在显着差异。而且充电过程中的平均功率不等于汽车接受的峰值功率,因为随着电池充电状态 (SOC) 的升高,额定值需要设置上限。

无论如何,上面的例子很有启发性,并提供了一个与ICE车辆进行比较的标准。以平均100 kWh的速度为EV充电需要36分钟才能提供333公里的续航里程,或者需要大约10分钟才能提供100公里。对于传统的ICE车辆,相同的操作需要3到5次才能完全实现。有了这些数字,市场正在迅速发展并推动更高功率的解决方案 ,充电功率可超过350 kW。

直流充电的标准和协议

为了规范和标准化交流和直流充电技术,并促进支持电动汽车的兼容EVSE生态系统的发展,业界已经制定了若干标准和IEC规范。这些尽可能全球化的框架可以帮助协会和行业开发协议和EVSE。这绝不是一个微不足道的话题,因为来自不同组织的多个标准已经在世界范围内共存。

基本标准包括:IEC-68151(瑞士)、IEC-62196(瑞士)、IEC61980(瑞士)、ISO1740 9:2020(瑞士)、SAEJ1772(美国)、GB/T18487(中国)、GB/T20234(中国)、GB/T27930(中国)。

如果研究借鉴这些标准的实际充电协议和生态系统,会发现全球有三个直流充电的扩展实施方案:CHAdeMO、组合充电系统 (CCS) 和特斯拉增压器。在中国,唯一标准和实施的协议是GB/T,也是该地区独有的。

直流充电有哪些重要标准?

国际电工委员会 (IEC) 制定了几个标准。 IEC61851指的是“电动汽车传导充电系统”,是 IEC 电动汽车充电系列的核心部分,侧重于电动汽车传导充电系统的不同主题,包括分别高达 1000V和1500V的交流和直流充电。

该标准定义了四种不同的充电“模式”,其中前三种“模式(1至3)”指的是交流充电,而“模式4”则是指直流充电。

IEC62196 定义了“插头、插座 - 插座、车辆连接器和车辆入口”,而 IEC61980 则定义了“EV 无线电源传输 (WPT) 系统”。

ISO17409:2020 是国际标准化组织 (ISO) 制定的电动汽车充电基础标准,是IEC61851的唯一补充。该文档针对IEC61851-1中定义的充电“模式2、3、4 ”的“电动道路车辆 — 传导功率传输 — 安全要求”。

图3. IEC-61851 中定义的充电“模式”,模式4定义了直流充电。

在北美,管理标准是SAEJ1772(涵盖交流和直流充电)。该文档规定了在 1000 V 下提供高达 400 kW 的直流充电。与 IEC-61851 中的充电“模式”不同,SAEJ1772 建立了充电“级别”,并定义了以下内容:“交流1级”、“交流2级” 、“DC 1级”和“DC 2级”(2017 年修订版)。

这里要说明的一个重要事项是,“3级”充电仍然是一个未定义的术语,广泛(且具有误导性)用于指代直流充电。已经有“交流3级”的实际项目(虽然从未完全开发),并且已经讨论过“直流3级”。无论如何,这些是不同的概念,不能用作直流充电的同义词。此外,来自不同地区和组织的标准相互交织。SAEJ1772首先定义了用于交流充电的“SAEJ1772”连接器类型(命名为“SAEJ1772 连接器”),主要用于北美。IEC-62196 后来采用了相同的连接器,并将其标识为 IEC-62196 1类,与用于欧洲交流充电的 IEC-62196 2类连接器形成对比。由于IEC连接器(1类和2类)使用相同的 SAEJ1772 信号协议,汽车制造商根据市场销售带有SAEJ1772−2009 或 IEC 2类的汽车。

直流充电协议

如上一节所述,全球扩展了三种主要的充电协议。

CHAdeMO协会于2010年在日本成立,负责开发同名的电动汽车充电协议。这些协议和组织得到日本主要汽车制造商和其他行业利益相关者的支持和推动。包括日产、三菱、丰田、日立、本田和松下等日本车企,其中也包括一些欧洲厂商。这些协议借鉴了所讨论的IEC6185-1、-23、-24 和 IEC62196 标准,并定义和使用了专用连接器。协议范围从CHAdeMO0.9 到 CHAdeMO2.0。

CHAdeMO1.2(2017)和CHAdeMO2.0(2018)分别支持200kW/500V和400kW/1000V。 CHAdeMO现在的目标是与中国电力企业联合会 (CEC) 合作开发900 kW充电器,以制定称为“超极”的超高功率充电标准。该合作还努力成为超快速充电器的第一个全球协议。 2020 年5月,CHAdeMO 报告称,全球安装了32000个快速充电器,其中14400个安装在欧洲。

图4. 快速直流充电器连接器类型。

联合充电系统 (CCS)

另一种快速直流充电协议和系统最初主要由欧美汽车制造商、EVSE 基础设施制造商和其他行业相关参与者开发和认可,亚洲制造商也加入了该集团。这些组织中的大多数正式组织为 CharIN协会,负责协议的开发和推广。CCS 系统符合适用的 IEC、SAE 和 ISO 标准,并支持交流充电(单相和三相)和直流充电,提供超过 200 kW 的直流充电能力,其中 350 kW 正在准备中。在撰写本文时,CharIN 网站列出了已部署的超过33800个直流电的充电点总数,分布在以下功率范围内:6% 低于 50kW、58% 50kW、29% 150kW 和 7% 250kW。 CSS 为直流充电指定了两个连接器,Combo 1和Combo,它们建立在原始交流充电连接器(Type1 和Type2)的基础上,为直流电流添加了一个双针插座。以这种方式,车辆(每个区域)上的独特插座类型允许直流充电和交流充电。大多数 CharIN 欧洲成员以 IONITY 的名义成立合资企业,努力开发和部署欧洲范围的快速充电站网络。

图5. 带有交流、直流 (CHAdeMO) 和直流 (CCS) 连接器的充电站

直流充电器的基础设施配置

DC EVSE部署的第一个也是最常见的用例包括端到端系统,从电网到EV的电池。这种用例现在在充电站中都可以找到,市面上有几个这样的转换器,也可以在独立的单个充电点中找到。具有多个快速或超快速充电器的充电站需要高达 1MW(及以上)的高压电网隔离变压器,以便可靠、不间断地输送电力。

在内部,这些充电器由前端的 AC-DC 三相有源整流级组成,该级执行功率因数校正 (PFC) 并提高 DC 链路电压水平。随后,隔离式 DC-DC 转换级根据 EV 中的电池需求调整输出电压和电流。

此类高功率和高电压应用受益于碳化硅模块技术的优势,该技术具有更高的击穿电压、更低的RDSON和动态损耗以及卓越的热性能。损耗的降低、增加开关频率的可能性和增强的散热使得系统尺寸的减小成为可能,同时无源元件缩小并降低了冷却要求。这组独特的特性使碳化硅模块技术成为高效率、高功率密度和紧凑型快速直流充电解决方案的关键推动因素,可以方便地部署和大规模扩展。在这种情况下,快速直流充电器的内部模块化也值得注意,因为大多数系统都具有每个15–75 kW之间的堆叠子单元,这使得系统更加灵活和稳健,并简化了生产。

图6.快速直流电动汽车充电器架构图(左)。具有堆叠多个功率级的高功率DC EV充电器(右)。

第二种 EVSE 部署配置将随着电动汽车进一步渗透市场,其中包括能量存储系统 (ESS) 的集成。该用例还可能涉及可再生分布式能源 (DER) 的整合,主要是太阳能。这种类型的基础设施将成为维持电动交通环境的关键支柱,充电站将成为消费的焦点并需要高峰值功率。例如,额定功率为100kW的5次充电会产生半兆瓦的峰值功率。仅靠电网几乎不可能在多个充电站中维持如此高的峰值功率,而这些充电站将蓬勃发展。为了能够在白天可靠地输送能源,能源将从电网中获取并在低谷时段传输到高压ESS。此外,太阳能将支持储存的能量池,以帮助维持能量水平。

图7. 将储能和太阳能集成到电动汽车充电站的可能框图。

这种配置将增加对不同架构的直流充电器的需求,其中整流 PFC 级和 DC-DC 级是独立的单元。图 10 显示了此类安装的示例。在前端,三相 PFC 升压级 (AC-DC) 将电力从电网输送到 DC BUS。在后端,由太阳能 PV 产生的这个 SC-DC 双向转换器提供的能量被馈入 EV 充电器(DC-DC 转换器)或保存在 ESS 中。连接到车辆的降压 DC-DC 转换器会将其输出电压调整为 400V-1000V 的电池兼容电压水平。

图8. 用于快速直流电动汽车充电的典型三相功率因数校正 (PFC) 升压拓扑。T-NPC(左上)、6-switch(右上)和 I-NPC(下)。

影响功率器件设计和额定电压的另一个重要因素是架构中的层级数。6开关拓扑是一种 2 级架构,通常使用 900 V 或 1200 V 开关实现,用于快速直流电动汽车充电器。在这里,碳化硅MOSFET具有低 RDS on (6-40mQ) 面积的模块是首选解决方案,尤其是对于每块 15 kW 以上的更高功率范围。此类集成表现出比分立解决方案更出色的电源性能,可提高效率、简化设计、减小整体系统尺寸并最大限度地提高可靠性。T-中性点钳位 (T-NPC) 是一种3 电平拓扑,它使用 1200 V 整流器(替换为双向格式的开关),650 V 开关在中性路径上背靠背。I-NPC 是一个 3 级架构,可以用 650 V 开关完全实现。带有 co-pack 二极管的 650 V碳化硅MOSFET 或 IGBT 代表了这些 3 电平拓扑的出色替代解决方案。

图9. F1-2 PACK SiC MOSFET 模块半桥。

DC-DC 拓扑

在研究 DC-DC 转换级时,采用了三种主要的隔离拓扑:全桥 LLC 谐振转换器、全桥相移双有源桥 (DAB) 零电压转换 (ZVT) 转换器和全桥相位−shift ZVT 转换器。

全桥 LLC 谐振

LLC 转换器在初级侧实现零电压开关 (ZVS),还在次级侧实现零电流开关 (ZCS),从而在谐振频率附近实现非常高的峰值效率。作为纯调频 (FM) 系统,当系统工作点偏离谐振频率时,LLC 效率会降低,这可能是需要宽输出电压工作的情况。然而,先进的混合调制方案使当今的脉冲调制 (PWM) 与 FM 相结合,限制了最大频率失控和高损耗。尽管如此,这些混合实现增加了有时已经很麻烦的 LLC 控制算法的复杂性。

此外,并行 LLCs 转换器的电流共享和同步并非易事。一般而言,当可能在相对较窄的电压范围内工作时,和/或当具备实施结合 FM 和 PWM 的高级控制策略的开发技能时,LLC 是一种难以超越的设计。它不仅可以提供最高的效率,而且从各个角度来看都是一个非常全面的解决方案。 LLC 可以以双向格式实现为 CLLC,这是另一种复杂的拓扑。

具有次级同步整流拓扑的移相全桥 DAB 也是非常典型的。它们使用 PWM 工作,通常需要比 LLC 转换器更简单的控制。 DAB 可以被认为是传统全桥移相 ZVT 转换器的演变,但在初级侧带有漏电感,这简化了繁琐的次级侧整流并降低了次级开关或二极管上必要的击穿电压额定值。通过实现 ZVT,这些转换器可以在很宽的输出电压范围内提供稳定的高效率。对于支持 800 V 和 400 V 电池电压水平的充电器来说,这是一个方便的因素。 DAB 的 PWM 操作带来了好处。首先,与 FM 系统相比,它倾向于保持转换器的电磁干扰 (EMI) 频谱更紧密。此外,系统在低负载下的行为更容易通过固定开关频率解决。 DAB 采用同步整流实现,是一种双向原生拓扑,是最通用的替代方案之一,也是适用于快速 EV 充电器的合适解决方案。

对于单向操作,传统的全桥相移 ZVT仍然是一种使用选项,但渗透率逐渐降低。这种拓扑的工作方式与 DAB 类似,但位于次级侧的电感器在整流行为方面引入了显着差异。电感器在二极管上设置高反向电压,该电压与占空比成正比或成反比,因此,根据工作条件,二极管上的反向电压可能会超过输出电压的两到三倍。在高输出电压系统(如 EV 充电器)中解决这种情况可能具有挑战性,并且通常多个次级绕组(具有较低的输出电压)串联连接。这种配置不太方便,尤其是在功率和电压额定值可以原谅的情况下,具有单个输出的不同拓扑将提供相同或更好的性能。

碳化硅模块代表了上述 DC-DC 功率转换级中全桥的非常合适和通用的解决方案,从15kW 开始。启用的更高频率有助于缩小变压器和电感器尺寸,从而缩小完整的解决方案外形尺寸。

拓扑变化

所讨论的拓扑存在多种变体,带来了额外的优势和折衷。快速 EV 充电的全桥 LLC 转换器是常见替代方案。在相移中,开关低于输入电压的一半,使用 600V 和 650V 击穿电压器件。650V碳化硅MOSFET、650V SuperFET 3 快速恢复 (FR) MOSFET 和 650V FS4 IGBT 将有助于满足不同的系统要求。同样,初级侧的二极管和整流器需要 650V 的阻断电压额定值。这些 3 电平架构允许单极开关,这有助于减少峰值电流和电流纹波,从而使变压器更小。与具有较少电源开关的 2 级版本相比,此拓扑的主要缺点之一是控制算法所需的额外复杂性级别。双有源桥接器可以轻松地在初级侧和次级侧并联或堆叠,以最好地满足快速电动汽车充电器的电流和电压需求。

二次侧整流

关于次级整流阶段,可以使用多种解决方案,并且所有解决方案都可以用于不同的拓扑结构。对于 400 V 和 800 V 电池电平和全桥整流,650V 和 1200V 碳化硅肖特基二极管通常带来独特的性能成本比解决方案。由于它们的零反向恢复特性,与硅基替代品相比,这些器件显着提高了整流性能和效率,大大降低了损耗和整流级的复杂性。 Hyperfast、UltraFast 和 Stealth 等硅基二极管可以作为成本非常有限的项目的替代方案,但会牺牲性能和复杂性。带有中心抽头整流的解决方案不适用于高压输出整流级。与全桥整流不同,在全桥整流中,二极管的标准反向电压等于输出电压,在中心抽头配置中,二极管可承受该值的两倍。常规全桥移相转换器(次级侧的电感器),如上所述,在两种整流方法(全桥或中心抽头整流)中都需要更高的击穿电压二极管。为了克服传统全桥移相转换器中对 1200 V 或 1700 V 额定二极管的需求,多个输出将串联连接。

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