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车载充电技术正在蓬勃发展

2021-10-21 09:48:57·  来源：汽车与新动力  
　
更高的充电功率缩短了电动汽车电池充电的时间，但由此也提升了车载充电技术的复杂性。研究人员通过对充电器进行优化设计，使得日益复杂的技术需求有望实现。电动
更高的充电功率缩短了电动汽车电池充电的时间，但由此也提升了车载充电技术的复杂性。研究人员通过对充电器进行优化设计，使得日益复杂的技术需求有望实现。

电动乘用车通常会使用400 V充电基础设施，更加昂贵的800 V技术往往适用于具有更高功率需求的货车或城市客车。保时捷Taycan是第1款运用800 V技术量产的电动汽车。现代汽车集团全新的电动全球模块化平台（E-GMP）可通过采用专利化技术以支持其充电基础设施、控制电机和变频器的电压提升过程，使该数值从400 V增加到800 V。奥迪优质电动平台（PPE）基础设施采用了800 V技术，从而使充电功率从150 kW增加到270 kW。
意法半导体（ST）微电子功率晶体管宏分部的宽带隙技术营销人员 Gianfranco DiMarco对此提到，在同样电流下，800 V系统具有输送双倍功率的优势，以此缩短了直流快充时间，也相应减小了电阻损耗，并提升了电压，该方案对使用更小的电缆，以及减小充电器冷却需求会产生有利的影响。

这些优势意味着800 V基础设施对车载充电器（OBC）设计有着更高要求。车载充电器可处理从电网到电池的电流，并且需要直流电系统来为电池进行充电。交流充电需要在车辆充电插口和电池之间布设1个转换器。
Sprint Power首席执行官Richie Frost对此提到，800 V车载充电系统比单相充电系统更简单，并可采用单相充电方式，由此需要配备1个车载交流-直流转换器，相应提升了成本。通过采用更快速的直流充电方案，电池系统需要采用额外的功率电流接触器，以及电池管理系统中的附加软件，由此可与车载充电器进行通信，所有的快速充电控制电子器件都可采用外接模式。

Di Marco指出，车载充电器的驱动功率通常比变频器和高压直流-直流转换器更低，其最高数值通常为43 kW。然而，更多的车辆仅能匹配到7 kW的单相电力OBC或者达到22 kW的三相电力OBC。因为经济原因，如要实现更快的充电速率，研究人员通常需要为其配备1个额外的直流充电器。

效率增加

由于质量会影响到车辆续航，因此OBC的质量和尺寸非常重要。Bel PowerSolutions产品开发经理FrankVondenhoff对此提到，研究人员需要增加转换频率，以此减小OBC的体积和质量。对于450 V系统而言，研究人员为其选用了碳化硅（SiC）及金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。对于850 V电池而言，研究人员为其选用了碳化硅MOSFET。VislC产品经理Elijah Bunin提到，相比650 V的基础设施，800 V的基础设施必须保持低频率，其效率也低于400 V的基础设施。800 V的基础设施电流限值与绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或SiC的使用有关。SiC的表现比IGBT更好，所以使用1 200 V设备的系统可以进一步改良性能指标。额定值900 V的GaN设备可提供更高的转换效率，以及更低的能量损失。
Di Marco提到，SiC当前代表OBC功率设备的最优选择，意法半导体相信由于较低的功率和电压需求，GaN半导体将会有着更广阔的潜力。通过技术开发，SiC将保持高使用率，但从长期来看，GaN有望成为最佳设计方案。
较高的OBC效率意味着系统对热管理有更低的需求，但该需求是有代价的。Vonderhoff提到，较高的效率会导致更高的成本，当前，OBC产品在名义输出功率下达到的效率约为95%～96%，如将该数据增加到97%～98%，则意味着更高的复杂性和成本。

Bunin提到，全新的OBC开发拓扑，例如图腾柱（totem pole）功率因子校正（PFC）可提升充电效率。对于双向充电技术而言，研究人员需要选用双向直流-直流转换器及PFC部件。对于直流-直流转换器而言，VislC采用了1个全新的C-LLC拓扑，或双主动桥拓扑。目前，为实现辅助热管理，研究人员可提供许多解决方案，例如表面贴装技术（SMT）功率设备。

Vonderhoff提到，高功率充电基础设施当前在电网中更常见，例如Lonity安装了350 kW电源。维护上述系统会带来更高的标准和测试要求。为此，研究人员需要花费更多的开发时间测试OBC是否符合当前标准。
Di Marco补充提到，在高功率的直流充电站中，充电器需要从电网获得能量来源。全球的功率供应包括440 V的线电压，如须满足车辆电池需求，该电压值应转换到400 V。通过采用800 V系统，研究人员也需要对电压进行转换。充电器可能也会直接连接到具有较高电压的分配网上。SiC将会用在功率为50 kW的快速充电器中，进一步支持逐步提升的电压和功率需求。

叠块方法

Di Marco继续提到，短期内如果期望安装快速充电器，其大致比率如下，每销售50台电动汽车即可安装1个充电器。考虑到为例的发展，由于充电功率的增加，以及平均充电时间的降低，每个充电器所对应的纯电动汽车的数量将有所增加。意法半导体也相信，未来将有1个明显的发展趋势，即围绕叠块方法设计构建充电器，并与OBC具有同样的线路架构。

未来的拓扑很难预测，但Vonderhoff提到，贝尔当前的OBC将会引进15 kW的单相分相车载充电器，并在单个盒中集成直流-直流转换器。对于美国市场而言，伴随的是1款功率为25 kW的液冷式车载充电器，其直流输出范围为250～800 V。目前，贝尔方面的管理人员正在与燃料电池制造商洽谈，以开发下一代直流-直流转换器。
Bunin提到，由于为电动汽车充电的功率需求有所增加，车辆到电网（V2G）技术变得更加重要。V2G需要实现双向充电，VislC的双向拓扑意味着该类设备的频率需要调整到200 kHz以上。对于双向直流-直流系统而言，研究人员可以使用同样的设备。

现代的全新Loniq 5车型和起亚EV6车型同样能提供从车辆到负荷（Vehicle toLoad）的充电。Vondenhoff提到，该技术具有显著优势，车辆可以在输出模式下创建自己的电网，并可以用电池来为三相装备充电。在充电模式下，车辆甚至能够为其他车辆的电池充电（V2V）。
在未来，无线充电技术能否起到更重要的作用？Frost对此提到，目前面临的主要问题为基础设施。目前，Sprint Power正在开发能实现无线充电的出租车，其为1个清晰的应用方案。从长期来看，无线充电技术是一大特色，因为车辆在停车后，就能进行充电。

Frost相信，交流充电系统将会逐渐消失。车载交流-直流转换器将会逐步淘汰，因为当有更多的快速充电基础设施出现时，客户充电将不再需要交流充电设施。传统的交流充电技术需要1个转换器，其需要进行液冷或空冷，并且也是车辆上额外的附加质量。 
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