隨著重型或商用車輛的電氣化，為比電動(dòng)乘用車更大的電池充電變得必要。由于時(shí)間就是金錢，特別是在物流領(lǐng)域，分配空閑時(shí)間進(jìn)行充電或增加充電功率是首選方案。這導(dǎo)致了三種不同的充電方案。
電池的現(xiàn)代技術(shù)和尖端的功率半導(dǎo)體解決方案允許設(shè)計(jì)高效的基礎(chǔ)設(shè)施。圖1描述了公交車隊(duì)的停車場充電的現(xiàn)代版本。
圖1.配備充電基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代公交停車場
停車場充電是當(dāng)?shù)剀囮?duì)運(yùn)營的首選方案，尤其是公共汽車和任何類型的送貨車輛。它們在相當(dāng)固定的路線上運(yùn)行，并在夜間閑置數(shù)小時(shí)。
這伴隨著對充電電源的需求減少以及能源管理方面的更多選擇。包括固定電池，將公共汽車的充電時(shí)間與能量過剩的時(shí)間脫鉤成為一種選擇。
當(dāng)今常見的電池電動(dòng)巴士的電池容量在250到500kWh之間，使它們能夠在不充電的情況下運(yùn)行一班。停車場的充電機(jī)只需為一輛車充電一夜。即使在6小時(shí)內(nèi)充電80%的500kWh的情況下，70kW的功率也足夠了。當(dāng)然，對于整個(gè)停車場來說，這要乘以同時(shí)要充電的車輛數(shù)量。
充電機(jī)的典型原理圖包括一個(gè)可以適應(yīng)直流母線電壓的輸入級、一個(gè)電氣隔離級和一個(gè)輸出整流器，如圖2所示。
圖2.雙向充電器原理圖和推薦元件
充電機(jī)通常采用模塊化方法從子系統(tǒng)中構(gòu)建，這些子系統(tǒng)可以堆疊在一起以增加輸出功率。常見設(shè)計(jì)每個(gè)子系統(tǒng)的功率為15-60kW，元件的選擇因輸出功率要求和冷卻偏好而異。雖然在10到15kW范圍內(nèi)強(qiáng)制風(fēng)冷的裝置廣泛采用分立器件制造，但功率水平較高的裝置使用液體冷卻，并且大多由電源模塊構(gòu)成。
并聯(lián)裝置是增加輸出功率的一種選擇。該技術(shù)也可用于形成冗余。這樣，在單個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以在較低的功率下運(yùn)行，而不會丟失整個(gè)系統(tǒng)。
停車場充電也為二級電網(wǎng)服務(wù)打開了大門。固定儲能有助于減少電網(wǎng)的負(fù)荷，在高能源需求時(shí)甚至可以支持電網(wǎng)。負(fù)載平衡和定時(shí)充電也成為一種選擇。充電時(shí)間可以與晚間能源過剩的時(shí)間段相匹配，在此期間相應(yīng)的能源價(jià)格較低，甚至為負(fù)。
在有固定時(shí)間表的車隊(duì)中，并非所有車輛都必須同時(shí)充滿電。即使在車輛之間共享能量也是可能的，那些未計(jì)劃投入使用的車輛也可以貢獻(xiàn)其存儲的能量。從整體上看，作為較大工業(yè)區(qū)的倉庫也可以成為太陽能發(fā)電站。
沿著預(yù)先確定的路線運(yùn)營車隊(duì)，可以通過更頻繁地添加少量能量來擴(kuò)展行駛里程。這就是所謂的機(jī)會充電，如果它以完全自動(dòng)化的方式進(jìn)行，效果最好。
對于這種充電方式，我們推薦了兩種解決方案。
受電弓是一種機(jī)械系統(tǒng)，允許大型電觸點(diǎn)移動(dòng)更遠(yuǎn)的距離并安全地接觸它們的對應(yīng)物。受電弓是一種經(jīng)過驗(yàn)證的可靠技術(shù)，廣泛用于有軌電車和鐵路應(yīng)用。根據(jù)安裝位置，受電弓可以分為自上而下和自下而上的系統(tǒng)。自下而上的系統(tǒng)安裝在車輛上并與車站聯(lián)系，而自上而下的機(jī)裝置是車站的一部分，向下下降到車輛上。圖3給出了如何設(shè)置受電弓充電的示例。
基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍然局限于路邊。因此，如果當(dāng)?shù)赜泻线m的電源，可以建造這樣的設(shè)施作為對現(xiàn)有站點(diǎn)的升級。由于這種情況很少見，因此通過電池存儲對充電站進(jìn)行緩沖是一種廣受歡迎的解決方案，可將車輛的大功率充電與固定電池的充電分離。其通常應(yīng)用125-250kW的功率水平。
圖3.用于機(jī)會充電的自上而下受電弓
在充電過程開始之前，充電站和車輛的電池管理系統(tǒng)之間的充電電壓和電流是一致的。由于涉及大功率，通過受電弓充電始終是直接接入車輛電池的直流充電。
對于未來的安裝，受電弓被認(rèn)為是推薦的解決方案，特別是對于自動(dòng)駕駛汽車，因?yàn)椴簧婕靶枰_處理的插頭或電線。該系統(tǒng)可以輕松處理不同高度的車輛，并且可以在構(gòu)造上允許車站和車輛之間的錯(cuò)位。
無線電力傳輸(WPT)在智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中也很流行，可以升級功率以滿足大規(guī)模能量傳輸?shù)男枨?。SAE J2594中詳細(xì)描述了車輛規(guī)模系統(tǒng)的無線電力傳輸。無線充電系統(tǒng)本質(zhì)上由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成，它們通過磁通量交換能量。為了避免過多犧牲傳輸效率，SAE J2594設(shè)定了傳輸效率至少達(dá)到80%的目標(biāo)。為了滿足這一要求，可以使用如圖4所示的串聯(lián)補(bǔ)償諧振電路，工作在80-140kHz的頻率范圍內(nèi)。
需要考慮多種輸入整流器拓?fù)洌ㄗ鳛槌杀緝?yōu)化解決方案的靜態(tài)二極管整流器或基于晶閘管的版本。Vienna整流器是一種常見的解決方案，其EMI性能出色、減少了濾波所需的工作量以及可調(diào)節(jié)的直流母線電壓。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要使用80至140kHz的高開關(guān)頻率來驅(qū)動(dòng)發(fā)送線圈，可以考慮將具有低開關(guān)損耗的IGBT或碳化硅MOSFET用于DC-DC轉(zhuǎn)換級。
感應(yīng)充電機(jī)需要安裝在車輛可以經(jīng)過的地方。與受電弓相比，這對基礎(chǔ)設(shè)施的影響更為嚴(yán)重，尤其是在公共交通方面。因此，感應(yīng)充電主要適用于半公共區(qū)域。例如，機(jī)場的行李手推車可以受益于無線電力傳輸，因?yàn)楣β仕?、所涉及的能量和地形條件適合使用情況。
圖4.串聯(lián)補(bǔ)償?shù)闹C振WPT設(shè)置
像長途物流一樣，在隨機(jī)路線上行駛需要單獨(dú)的大功率充電，類似于今天的加油站。這種大功率充電需要成為現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，以便將電動(dòng)卡車無縫集成到移動(dòng)領(lǐng)域。
使用高達(dá)1500V的直流電壓和高達(dá)3000A的最大充電電流，以超過2MW的速率充電成為可能。
在2MW充電時(shí)，可以在大約15分鐘內(nèi)提供500kWh的電量，再行駛300km，這完全可以滿足駕駛員為遵守法律要求而必須做的休息時(shí)間。然而，高達(dá)400V的城市低壓三相電網(wǎng)不支持這種功率水平。
在這種情況下，需要將由中壓系統(tǒng)供電的本地電源作為先決條件。盡管通過固定電池進(jìn)行緩沖是一種潛在的選擇，但存儲容量將變得相對較大。
必須從中壓變壓器開始工作，這為兆瓦級充電機(jī)帶來了一個(gè)有希望的選擇。與其擴(kuò)大用于為乘用車充電的結(jié)構(gòu)，不如遵循電解中使用的成熟方案。圖5描述了相關(guān)的大功率設(shè)置。
圖5.采用B12C的大功率充電拓?fù)?，也稱為B6C-2P
這種方法僅具有單級能量轉(zhuǎn)換，將電氣隔離級從較小的單個(gè)轉(zhuǎn)換器替換為中壓變壓器，可將功率轉(zhuǎn)換級的效率提高到99%以上。同時(shí)，它最大限度地減少了每千瓦安裝的數(shù)量，并且由presspack元件構(gòu)建的組件減少了空間需求。
當(dāng)進(jìn)入兆瓦級時(shí)，基于晶閘管的解決方案將卓越的效率與壓裝器件前所未有的壽命和可靠性結(jié)合在一起。
這種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)需要大量的運(yùn)行周期，并對服務(wù)時(shí)間提出了特別的期望。兩者都需要在設(shè)計(jì)階段的早期階段加以考慮。盡管拓?fù)浜图夹g(shù)可能看起來已經(jīng)過時(shí)，但更高的效率以及更低的成本和更少的空間要求使其成為顯而易見的選擇。當(dāng)未來的自動(dòng)駕駛商用車需要更高的額定功率以進(jìn)一步減少充電時(shí)間時(shí)，這一點(diǎn)將尤其重要，因?yàn)樗緳C(jī)不需要休閑休息。