簡短的電動汽車部署展望

電動汽車、電動動力總成和車輛電氣化技術(shù)已經(jīng)存在多年。事實上，第一個電動汽車（EV）出現(xiàn)在晚19日世紀(jì)。

然而，在近年來一直在這個替代燃料技術(shù)的興趣重生，尤其是對20月底日世紀(jì)。由于希望減少對氣候的影響，該行業(yè)正在經(jīng)歷從內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛的轉(zhuǎn)變。

基于 ICE 的車輛使用石油，這是一種日益稀缺的資源，嚴(yán)重污染環(huán)境，是氣候變化的主要因素。

直到最近三到五年，我們還沒有看到電動汽車生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)擴(kuò)散，并沒有隨著法規(guī)的出臺、基礎(chǔ)設(shè)施的部署和插電式混合動力汽車的擴(kuò)大而采取具體行動來推廣它(PHEV) 和純電動汽車 (BEV) 車型，最終提高了電動汽車進(jìn)入廣闊市場的可及性。

近期加速發(fā)展的最重要驅(qū)動因素之一是對全球汽車制造商實施的排放監(jiān)管政策。在歐洲，自去年（2020 年）開始實施的更嚴(yán)格措施可能會對不遵守這些措施的汽車制造商的底線[1]產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些規(guī)定將在未來幾年逐漸變得更加嚴(yán)格。難怪汽車制造商正在迅速行動并增加他們的 BEV 車型托盤，實際預(yù)測到 2025 年將有 300 款車型上路[2][3]。

在消費者端，政府在過去幾年中一直通過為 xEV 車主提供不同性質(zhì)的好處來支持向替代燃料汽車的過渡。從免稅到免費停車和充電服務(wù)，再到高占用車輛 (HOV) 車道。

圖 2.每個生產(chǎn)日期推出的 BEV 市場。

資料來源：麥肯錫/IHS Automotive（2019 年 7 月）

此外，如果我們回顧最近的過去和現(xiàn)在，COVID-19 一直是并將繼續(xù)是孵化幕后趨勢的加速器，例如機(jī)器人化、5G 和連接性，當(dāng)然還有電動汽車。 .特別是，優(yōu)先考慮新技術(shù)和創(chuàng)新的多年投資計劃——無論是在公共領(lǐng)域還是私人領(lǐng)域。這些力量正在刺激電動汽車和插電式混合動力汽車的銷售增長，尤其是現(xiàn)在在歐洲。中國一直是采用、市場增長和產(chǎn)品的開拓者，但最近幾個月，歐洲在銷量上趕上了中國，達(dá)到了 140 萬臺，同比增長 137%。中國和美國的數(shù)字分別徘徊在134萬和33萬左右。[4][5][6]

圖 3. 2020-2024 年預(yù)計的 xEV 單位銷量。2020 年在 COVID-19 影響之前發(fā)布的報告。資料來源：IHS，Omdia，2020 年。

快速電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施：需求強(qiáng)勁增長

除了促進(jìn)采用 xEV 的直接激勵措施和措施外，整體環(huán)境還有其他變化正在加強(qiáng)向電動汽車的過渡。從歷史上看，一直存在阻礙向新車型發(fā)展的潛在障礙，最突出的障礙是：里程焦慮、xEV 汽車的價格（屬于“優(yōu)質(zhì)”ICE 類別價格范圍）以及最后，充電時間與為傳統(tǒng)車輛的油箱加油相比（一個簡單、眾所周知的概念和快速過程）。好吧，正在通過增加電池容量和提高車輛千瓦時/公里比率來解決里程焦慮。近年來，BEV 的價格正在穩(wěn)步下降，并且越來越接近更廣泛的大眾市場類別，

剩下的最后一個障礙是充電時間，其中慢速（有效功率最高可達(dá) 22kW）和快速系統(tǒng)（22-400kW 和以上目標(biāo)）共存。特別是慢速充電系統(tǒng)已經(jīng)在家庭、公共停車場和工作場所停車場相對廣泛使用（圖 4）。不同的是，快速充電系統(tǒng)大多在公共場所、商業(yè)區(qū)域或充電站中可用，因為它們需要專用的電氣基礎(chǔ)設(shè)施，這意味著大量投資。在慢速充電的最高額定功率下，系統(tǒng)可以在約 50-60 分鐘內(nèi)提供 100 公里的額外續(xù)航里程，但即使是這些也無法輕松部署在家庭中。在較低的功率端，當(dāng)使用直接連接到標(biāo)準(zhǔn)插座的專用電纜時，家庭和私人可以達(dá)到 1.4 –3.7kW 的速率（取決于地區(qū)和適用的法規(guī)，可能會更大功率），但需要大約 5 小時（在3.7kW) 以增加 100 公里的續(xù)航里程。相反，快速充電系統(tǒng)可以在不到十分鐘的時間內(nèi)提供這個范圍。對于很大一部分驅(qū)動程序和用例，慢速充電可能是一個可行的解決方案，但顯然，并非適用于所有人或所有情況。

圖 4. 2019 年（IEA2020）按國家/地區(qū)劃分的私人和公共可訪問充電器

因此，有效且可持續(xù)地向電動汽車過渡將需要部署快速充電基礎(chǔ)設(shè)施，以跟上道路上純電動汽車的增長步伐。不僅在數(shù)量上，而且在額定功率方面。功率越高，充電時間越短，這是一個重要因素，因為電池容量不斷增加，技術(shù)也在不斷改進(jìn)，從而實現(xiàn)更高的峰值功率（更快的充電速率）。難怪快速充電器的增長預(yù)測預(yù)測 2020 年至 2027 年的銷量復(fù)合年增長率為 31.8%，同期市場規(guī)模的復(fù)合年增長率為 39.8%。[9]圖4描繪了2019年全球慢速和快速充電器的分布情況。

交流或直流充電：模糊線條

在電動汽車的背景下，用于充電的電纜和連接器通常被稱為“充電器”。帶有專用硬件設(shè)備（通常稱為“壁箱”）的交流 (AC) 插座用作連接充電線和為車輛充電的接口被稱為“充電器”，它可能與“充電器”混淆我們考慮發(fā)生功率轉(zhuǎn)換的實際設(shè)備，那么上面討論的元素不是充電器。

交流充電和直流（直流）充電是簡單的概念，由于上述原因可能會變得模糊。本質(zhì)上，區(qū)別在于將電力傳輸?shù)杰囕v充電端口（而不是電池）的方式。在交流充電模式下，來自電網(wǎng)的交流電通過交流電源插座或充電站輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器 (OBC)管理 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換) – 這里正確命名充電器，因為有電源轉(zhuǎn)換 – 并向電池提供直流電壓和電流。另一方面，在 DC 充電模式下，AC-DC 轉(zhuǎn)換是通過車外充電器在車外進(jìn)行的——我們再次談?wù)摮潆娖?。圖 5 說明了電動汽車的不同充電方案。直流充電額定功率范圍很廣，因為車輛外部的空間、重量和熱限制要寬松得多。因此，直流充電可能從甚至低于 11kW 到高達(dá) 400kW。當(dāng)然，落在這些范圍內(nèi)的用例可能會有很大不同。另一點值得注意的是，并非所有車輛都接受高直流功率水平的充電。現(xiàn)在大多數(shù)發(fā)布的車輛通?？梢栽谥绷髂Ｊ较轮С种辽?50kW 的速率。

圖 5. 交流充電和直流充電概念圖。

資料來源：Yolé 開發(fā)部

由于其功率限制（通常最高端為 22 kW）和充電所需的最短時間，交流充電通常被稱為“慢速充電”。交流較高功率范圍（11 – 22 kW）有時可能被稱為“高功率交流充電”或“快速交流充電”，但沒有實際定義。另一方面，那些額定功率為 22kW 甚至高達(dá) 400kW 的直流充電器被認(rèn)為是“快速”的。術(shù)語“超快”也用于 50kW 以上的功率，但沒有實際明確的界限或定義?，F(xiàn)在部署的最常見的直流功率范圍為 22-150 千瓦，功率范圍在 200-350 千瓦之間?？焖俸统焖僦绷鞒潆娖魍ǔH在可接入三相電源連接到電網(wǎng)的專用區(qū)域公開使用。充電站，到目前為止主要沿高速公路，可能會顯示多個超快速充電器（> 150kWeach）。此類設(shè)施需要來自電網(wǎng)的專用高壓變壓器。

充電率和次數(shù)

為了獲得當(dāng)今啟用的充電時間的概念，一個簡單的計算可??以讓我們有很長的路要走?？紤]到具有 60 kWh 電池（現(xiàn)在發(fā)布的 BEV 集成 30 到 120 kWh 之間的電池）[10]和 100kW 直流充電器的車輛，可以得出以下結(jié)論：

充電時間=電池容量（有效）*1[kWh]/平均充電功率[kW] 充滿電的續(xù)航里程=電池容量（有效）*1[kWh]/效率[kWh/100km]60kWh/100kW=36分鐘

60 kWh/(18kWh/100km*2) =~333 公里

*1出于本練習(xí)的目的，考慮了完整的電池容量。可能有些電動汽車可能會對全部“有效”容量造成限制。

*2通用值，將取決于每輛車的特性。通常會落在12-23kWh/100km之間

必須考慮到，并非所有道路上的車輛都能支持高達(dá) 100kW 的直流充電率，目前發(fā)布的車型之間的實際差異通常在 50 kW 以下和 250 kW 以上[11]。同樣，以 kWh/100 km 比率衡量的車輛效率也存在顯著差異。有可用的數(shù)據(jù)庫[12]提供多種 BEV 的詳細(xì)信息。此外，充電過程中的平均功率不等于汽車接受的峰值功率，因為??隨著電池充電狀態(tài) (SOC) 的升高，額定值需要設(shè)置上限。

無論如何，上面的例子很有啟發(fā)性，并提供了一個與基于 ICE 的車輛進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。以平均 100 kWh 的速度為我們的 EV 充電需要 36 分鐘才能提供 333 公里的續(xù)航里程，或大約 10 分鐘才能提供 100 公里。對于傳統(tǒng)的基于 ICE 的車輛，相同的操作需要 3 到 5 次才能完全填充。有了這些數(shù)字，難怪市場正在迅速發(fā)展并推動更高功率的解決方案 [電動汽車供電設(shè)備 (EVSE) 側(cè)和車輛側(cè)]，允許充電功率超過 350 kW。

直流充電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

為了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化交流和直流充電技術(shù)并促進(jìn)支持電動汽車的兼容 EVSE 生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)制定了若干標(biāo)準(zhǔn)和 IEC 規(guī)范。這些盡可能全球化的框架可以幫助協(xié)會和行業(yè)開發(fā)協(xié)議和 EVSE。然而，這絕不是一個微不足道的話題，因為來自不同組織的多個標(biāo)準(zhǔn)和實現(xiàn)在世界范圍內(nèi)共存。

采用自上而下的方法并命名一些基本標(biāo)準(zhǔn)（以及發(fā)行組織總部的位置），它涉及：

1. IEC-68151（瑞士）
2. IEC-62196（瑞士）
3. IEC61980（瑞士）
4. ISO1740 9:2020（瑞士）
5. SAEJ1772（美國）
6. GB/T18487（中國）
7. GB/T20234（中國）
8. GB/T27930（中國）

如果我們研究從這些標(biāo)準(zhǔn)中汲取的實際充電協(xié)議和生態(tài)系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)直流充電的三個全球擴(kuò)展實施方案：CHAdeMO（“charge de move”的縮寫）、組合充電系統(tǒng) (CCS) 和特斯拉增壓器。在中國，唯一標(biāo)準(zhǔn)和實施的協(xié)議是GB/T，也是該地區(qū)獨有的。下一節(jié)將討論這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的一些特殊性。

直流充電有哪些重要標(biāo)準(zhǔn)？

IEC 61851。國際電工委員會 (IEC) 制定了上一節(jié)中列出的幾個標(biāo)準(zhǔn)。該IEC61851是指“電動汽車用傳導(dǎo)充電系統(tǒng)”，是中央件的IEC系列EV充電，著眼于電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的不同的主題，包括AC和DC分別充電到1000V和1500V[13]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同的充電“模式”，其中前三種“模式”（1 到 3）指的是交流充電，而“模式”4 則是指直流充電。該IEC62196定義“插頭，插座-插座，車輛連接器和車輛入口和IEC61980地址'EV 無線電力傳輸 (WPT) 系統(tǒng)。在ISO17409：2020是純電動汽車的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和補(bǔ)充專門的IEC61851如上所述。該文檔針對IEC61851-1 中定義的充電“模式”2、3、4 的“電動道路車輛 — 傳導(dǎo)功率傳輸 — 安全要求”。

在北美，管理標(biāo)準(zhǔn)是 SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。本文檔規(guī)定了在 1000 V 下提供高達(dá) 400 kW 的直流充電。 與 IEC-61851 中的充電“模式”不同，SAEJ1772 建立了充電“級別”并定義了以下內(nèi)容：“交流級別 1”、“交流級別 2” 、“DC 1 級”和“DC 2 級”（2017 年修訂版）。這里要說明的一個重要問題是，“3 級”充電仍然是一個未定義的術(shù)語，廣泛（且具有誤導(dǎo)性）用于指代直流充電。已經(jīng)有針對“AC Level3”的實際項目（盡管從未完全開發(fā)）并且已經(jīng)討論過“DC Level 3”。無論如何，這些是不同的概念，不能用作直流充電的同義詞。此外，來自不同地區(qū)和組織的標(biāo)準(zhǔn)可以相互交織。SAEJ1772 首先定義了用于交流充電的“SAEJ1772”連接器類型（命名為“SAEJ1772 連接器”），主要用于北美。IEC-62196 后來采用了相同的連接器，并將其標(biāo)識為 IEC-62196 Type1，與用于歐洲交流充電的 IEC-62196 Type 2 連接器形成對比。由于 IEC 連接器（1 類和 2 類）使用相同的 SAEJ1772 信號協(xié)議，汽車制造商根據(jù)市場銷售帶有 SAEJ1772?2009 或 IEC 2 類入口的汽車。

直流充電協(xié)議

如上一節(jié)所述，全球擴(kuò)展了三種主要的收費協(xié)議。

CHAdeMO– 該協(xié)會于 2010 年在日本成立，負(fù)責(zé)開發(fā)同名的電動汽車充電協(xié)議。這些協(xié)議和組織得到日本主要汽車制造商和其他行業(yè)利益相關(guān)者的支持和推動。日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田和松下僅舉幾例，其中也包括一些歐洲企業(yè)。這些協(xié)議借鑒了所討論的 IEC6185-1、-23、-24和IEC62196標(biāo)準(zhǔn)，并定義和使用了專用連接器（圖7）。協(xié)議范圍從 CHAdeMO0.9 到 CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200kW/500V和400kW/1000V。CHAdeMO 現(xiàn)在的目標(biāo)是與中國電力企業(yè)聯(lián)合會 (CEC) 合作開發(fā) 900 kW 充電器，以制定稱為“超極”的超高功率充電標(biāo)準(zhǔn)[14]。該合作還努力成為超快速充電器的第一個全球協(xié)議[15]。2020 年 5 月，CHAdeMO 報告稱，全球安裝了 32,000 個快速充電器[16]，其中 14,400 個安裝在歐洲。

圖 7. 快速直流充電器連接器類型。特斯拉在北美和其他地區(qū)使用專有連接器。在歐洲和其他部署了 CCS 和 CHAdeMO 網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，特斯拉正在適應(yīng)這些系統(tǒng)。來源：Enel X

聯(lián)合充電系統(tǒng) (CCS)

另一種快速直流充電協(xié)議和系統(tǒng)最初主要由歐美汽車制造商、EVSE 基礎(chǔ)設(shè)施制造商和其他行業(yè)相關(guān)參與者開發(fā)和認(rèn)可。亞洲制造商也加入了該集團(tuán)。這些組織中的大多數(shù)正式組織為 CharIN 協(xié)會，負(fù)責(zé)協(xié)議的開發(fā)和推廣。CCS 系統(tǒng)符合適用的 IEC、SAE 和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，并支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過 200 kW 的直流充電能力，其中 350 kW 正在準(zhǔn)備中[17 ].在撰寫本文時，CharIN 網(wǎng)站列出了已部署的超過 33,800 個直流電的充電點總數(shù)，分布在以下功率范圍內(nèi)：6% 低于 50kW、58% 50kW、29% 150kW 和 7% 250kW。CSS 為直流充電指定了兩個連接器，Combo 1 和 Combo（圖 8），它們建立在原始交流充電對應(yīng)物（Type1 和 Type2）的基礎(chǔ)上，為直流電流添加了一個雙針插座。以這種方式，車輛（每個區(qū)域）上的獨特插座類型允許直流充電和交流充電。大多數(shù) CharIN 歐洲成員以 IONITY 的名義成立合資企業(yè)，努力開發(fā)和部署歐洲范圍內(nèi)的快速充電站網(wǎng)絡(luò)。

快速直流充電用例和配置

在前面的部分中，我們討論并了解了快速直流充電：

它是什么，不是什么。

功率和電壓水平以及充電時間。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

在本節(jié)中，討論將讓我們更深入地了解該技術(shù)，并展示 a) 部署實際直流充電器的配置和 b) 展示已成為 e- 基石的“引擎蓋下”關(guān)鍵電力電子設(shè)備流動性。不出所料，快速直流電動汽車充電是繼電動汽車本身之后電力電子領(lǐng)域創(chuàng)新的推動力之一，也是碳化硅 (SiC) 等新型電力技術(shù)采用速度最快的市場之一。

直流充電器的基礎(chǔ)設(shè)施配置

DC EVSE 部署的第一個也是最常見的用例包括端到端系統(tǒng)，從電網(wǎng)到 EV 的電池（圖 9）。這種用例現(xiàn)在在充電站中都可以找到，顯示幾個這樣的轉(zhuǎn)換器，也可以在獨立的單個充電點中找到。具有多個快速或超快速充電器的充電站需要高達(dá) 1MW（及以上）的高壓電網(wǎng)隔離變壓器，以便可靠、不間斷地輸送電力。

在內(nèi)部，這些充電器由前端的 AC-DC 三相有源整流級組成，該級執(zhí)行功率因數(shù)校正 (PFC) 并提高 DC 鏈路電壓水平。隨后，隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換級根據(jù) EV 中的電池需求調(diào)整輸出電壓和電流。

圖 9 顯示了系統(tǒng)模塊。為了最大限度地提高效率和尺寸，越來越需要更高電壓的系統(tǒng)。這既適用于中間總線電壓（PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器之間），也適用于輸出電壓，因為 800V 及以上的 EV 電池變得司空見慣。

此類高功率和高電壓應(yīng)用受益于SiC 模塊技術(shù)的優(yōu)勢，該技術(shù)具有更高的擊穿電壓、更低的 RDSON 和動態(tài)損耗以及卓越的熱性能。損耗的降低、增加開關(guān)頻率的可能性和增強(qiáng)的散熱使得系統(tǒng)尺寸的減小成為可能，同時無源元件縮小并降低了冷卻要求。這組獨特的屬性使SiC 模塊技術(shù)高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關(guān)鍵推動因素，可以方便地部署和大規(guī)模擴(kuò)展。在這種情況下，快速直流充電器的內(nèi)部模塊化也值得注意，因為大多數(shù)系統(tǒng)具有每個 15 – 75 kW 之間的堆疊子單元（圖 9），這使得系統(tǒng)更加靈活和穩(wěn)健，并簡化了生產(chǎn)。

圖 9. 快速直流電動汽車充電器架構(gòu)圖（左）。具有堆疊多個功率級的高功率 DC EV 充電器（右）。

第二種 EVSE 部署配置將隨著電動汽車進(jìn)一步滲透市場并搶占交通蛋糕的重要部分而獲得相關(guān)性，其中包括能量存儲系統(tǒng) (ESS) 的集成。該用例還可能涉及可再生分布式能源 (DER) 的整合，主要是太陽能。這種類型的基礎(chǔ)設(shè)施將成為維持電動交通環(huán)境的關(guān)鍵支柱，充電站將成為消費的焦點并需要高峰值功率。例如，額定功率為 100kW 的 5 次充電會產(chǎn)生半兆瓦的峰值功率。僅靠電網(wǎng)幾乎不可能在多個充電站中維持如此高的峰值功率，而這些充電站將在全港蓬勃發(fā)展。為了能夠在一天中可靠地提供能量，能源將來自電網(wǎng)，并在低谷時段傳輸?shù)礁邏?ESS。此外，太陽能將支持儲存的能量池，以幫助維持能量水平[20]。

圖 10. 將儲能和太陽能集成到電動汽車充電站的可能框圖

這種配置將增加對不同架構(gòu)的直流充電器的需求，其中整流 PFC 級和 DC-DC 級是獨立的單元。圖 10 顯示了此類安裝的示例。在前端，三相 PFC 升壓級 (AC-DC) 將電力從電網(wǎng)輸送到 DC BUS。在后端，由太陽能 PV 產(chǎn)生的這個 SC-DC 雙向轉(zhuǎn)換器提供的能量被饋入 EV 充電器（DC-DC 轉(zhuǎn)換器）或保存在 ESS 中。連接到車輛的降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器會將其輸出電壓調(diào)整為 400V-1000V 的電池兼容電壓水平。

快速直流充電器中使用的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率器件有哪些？

上一節(jié)介紹了快速 DCEV 充電基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)配置，以及未來可能出現(xiàn)的另一種典型基礎(chǔ)設(shè)施。下面概述了當(dāng)今快速 DCEV 充電器中使用的 AC-DC 和 DC-DC 的典型功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜凸β势骷?/p>

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