成本、效率、可靠性和雙向性是影響電動(dòng)汽車(chē)充電站設(shè)計(jì)的四個(gè)系統(tǒng)級(jí)考慮因素

電動(dòng)汽車(chē) （EV） 繼續(xù)普及。為了加速電動(dòng)汽車(chē)革命，充電基礎(chǔ)設(shè)施正在根據(jù)不斷增長(zhǎng)的需求擴(kuò)大規(guī)模。促進(jìn)向低碳交通的轉(zhuǎn)變是需要努力的。

電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備 （EVSE） 和充電站是電動(dòng)汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。必須考慮幾個(gè)因素，以確保家庭、公共和商業(yè)充電設(shè)備有效、易于使用且用戶(hù)友好。系統(tǒng)工程師在為任何充電站設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備之前應(yīng)考慮幾個(gè)因素。

充電站的基本要求

為了在 EVSE 的整個(gè)生命周期內(nèi)獲得最佳回報(bào)，根據(jù)其用途和位置評(píng)估任何特定充電站的基本要求至關(guān)重要。這些要求可能并不總是相同的。在考慮充電站的高級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)考慮它的使用方式和安裝位置。這些高級(jí)考慮因素將影響低級(jí)電氣設(shè)計(jì)。

這些考慮因素將受到充電站是供人流量大或低流量區(qū)域的公共使用，還是用于住宅用途的影響。該位置將對(duì)功能以及隨后的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。

在規(guī)劃階段，確定充電站的最大可用輸入功率和所需的輸出功率非常重要。兩者都直接影響充電速度，根據(jù)這些參數(shù)選擇的設(shè)計(jì)拓?fù)湟仓苯佑绊懗潆娝俣?。更高的輸出需要更多的輸入功率，但可以更快地充電，從而減少用戶(hù)在充電站花費(fèi)的時(shí)間。

但快速充電可能無(wú)法或不適合該位置。更高效的轉(zhuǎn)換拓?fù)浣档土藢?duì)輸入功率的需求，從而允許在一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)更高的充電站密度。但此要求也可能影響其他因素，例如單位成本或可靠性。這些考慮因素與公共充電站更相關(guān)，因?yàn)橛脩?hù)可能需要快速、隨時(shí)隨地充電。

系統(tǒng)級(jí)因素

原始設(shè)備制造商必須確定四個(gè)關(guān)鍵因素的相對(duì)優(yōu)先級(jí)。這些因素是成本、效率、可靠性和功能性。每個(gè)拓?fù)涠紝?duì)所使用的拓?fù)溆兄苯佑绊?。針?duì)所有四個(gè)因素優(yōu)化設(shè)計(jì)可能不可行，因此確定優(yōu)先級(jí)將有助于集中資源。在更廣泛的基礎(chǔ)上，平衡這些變量的全行業(yè)方法將產(chǎn)生一個(gè)不僅在經(jīng)濟(jì)上可行，而且能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)需求的充電基礎(chǔ)設(shè)施。

單位成本

大批量部署是電動(dòng)汽車(chē)充電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗苯佑绊懗潆娋W(wǎng)絡(luò)的可訪問(wèn)性和可擴(kuò)展性。所使用的拓?fù)湟约俺潆娪布?、?chǔ)能系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接的選擇是總體成本的重要貢獻(xiàn)者。此外，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估選址、可再生能源的可用性和并網(wǎng)費(fèi)用等因素，以?xún)?yōu)化每個(gè)充電站的成本效益。

效率

為了最大限度地提高可用能量并最大限度地縮短充電時(shí)間，效率將是一些電動(dòng)汽車(chē)充電站的重中之重。充電效率目標(biāo)將影響所使用的電路拓?fù)?、電力電子設(shè)備（IGBT 或 SiC/GaN 功率器件）以及智能充電算法的集成。優(yōu)先考慮效率的原始設(shè)備制造商必須專(zhuān)注于優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換過(guò)程、最大限度地減少損耗并整合智能功能，以便根據(jù)電網(wǎng)條件和用戶(hù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

可靠性

故障間隔時(shí)間可能是充電站效率的決定性因素?？煽啃缘脑O(shè)計(jì)考慮因素包括硬件的穩(wěn)健性、容錯(cuò)性和冗余系統(tǒng)的實(shí)施。選擇高質(zhì)量的組件、耐候材料、適當(dāng)?shù)臒峁芾硪约跋冗M(jìn)的監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)對(duì)于確保不間斷服務(wù)至關(guān)重要。對(duì)于公共充電站，設(shè)計(jì)人員還需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全等因素，以防范潛在威脅，確保充電站的安全可靠運(yùn)行。

功能性

需要考慮的一個(gè)新興領(lǐng)域是雙向充電。越來(lái)越多的消費(fèi)者正在了解車(chē)輛到電網(wǎng) （V2G） 功能，使電動(dòng)汽車(chē)不僅能夠消耗能源，還可以在需求高峰期將能量返回電網(wǎng)。這種雙向能量流需要先進(jìn)的電力電子設(shè)備（即特定類(lèi)型的分立電源、電源模塊和拓?fù)洌?、電網(wǎng)通信協(xié)議和智能充電算法。雙向性有可能在電動(dòng)汽車(chē)閑置期間將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际侥茉矗瑥亩兄陔娋W(wǎng)的穩(wěn)定性和彈性。目前，雙向充電針對(duì)的是家用充電器，但未來(lái)可能會(huì)改變。

充電站的基本組件

充電率將取決于用例以及可用功率。在家庭環(huán)境中，電動(dòng)汽車(chē)可以長(zhǎng)時(shí)間插入電源（例如過(guò)夜），因此將部署速度較慢的單相充電器。路邊充電器，例如在加油站，必須優(yōu)先考慮便利性。這表明充電器的快速充電和高可用性可以滿(mǎn)足高峰需求。在這種情況下，將調(diào)試三相充電器。

電動(dòng)汽車(chē)快速充電站的典型框圖如表 1 所示。該硬件架構(gòu)的主要組件可提供 50kW 至 350kW 的輸出功率，包括：

• EMI濾波：該模塊過(guò)濾三相交流輸入電源，減少充電器產(chǎn)生的電磁輻射。

• PFC： 功率因數(shù)校正 （PFC） 級(jí)通過(guò)對(duì)齊電流和電壓波形、降低無(wú)功功率和最大限度地減少能量損失，確保更有效地利用從電網(wǎng)汲取的電力。

• AC/DC 轉(zhuǎn)換器：這將來(lái)自電網(wǎng)的交流電 （AC） 轉(zhuǎn)換為為電動(dòng)汽車(chē)電池充電所需的直流電 （DC）。如果充電器由直流電源供電，則不需要此塊。

• DC/DC 轉(zhuǎn)換器：該模塊負(fù)責(zé)調(diào)整從交流電轉(zhuǎn)換的直流 （DC） 電源的電壓水平，以匹配電動(dòng)汽車(chē)的電池（目前最高可提供 800V 電池），確保從充電狀態(tài)到車(chē)輛的高效電力傳輸。

• 電動(dòng)汽車(chē)充電器控制：充電控制器管理電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)之間的電流。它調(diào)節(jié)充電過(guò)程以確保最佳性能、防止過(guò)度充電并保護(hù)電池。如表1所示，它為連接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動(dòng)器提供所需的PWM信號(hào)。

• 計(jì)量塊：該模塊的任務(wù)是在充電過(guò)程進(jìn)行時(shí)精確測(cè)量和監(jiān)控相關(guān)電氣參數(shù)。這對(duì)于公共充電器來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)樗仨殰?zhǔn)確測(cè)量和量化能耗、電壓、電流和其他相關(guān)參數(shù)，以生成精確的發(fā)票數(shù)據(jù)。在所有應(yīng)用中，都需要計(jì)量來(lái)分析系統(tǒng)性能并保證充電站的整體可靠性和效率。

其他組件包括連接器、電纜、繼電器和執(zhí)行器。

用于 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主要拓?fù)漕?lèi)型，每種拓?fù)涠加衅鋬?yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)如下：

表 1：AC/DC 整流器最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（來(lái)源：Avnet）

表 2：DC/DC 轉(zhuǎn)換器最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（來(lái)源：安富利）

網(wǎng)格界面

除了系統(tǒng)級(jí)的考慮外，OEM 的客戶(hù)還將從現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施的角度考慮要求。充電站與電網(wǎng)之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。一個(gè)充電站的電力需求對(duì)電網(wǎng)的影響必須與許多充電站的需求進(jìn)行比較。用戶(hù)體驗(yàn)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)可以提供的電量密不可分。

在繁忙時(shí)期，對(duì)輸出電力的需求可能會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)壓力。EVSE 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)拓?fù)浔仨毧紤]電源波動(dòng)引起的漏洞。滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)駕駛員不斷增長(zhǎng)的電力需求并保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性需要協(xié)作。

將光伏 （PV） 和其他形式的可再生能源集成到充電站基礎(chǔ)設(shè)施中可以提高可持續(xù)性，同時(shí)減少對(duì)傳統(tǒng)電源的依賴(lài)。然而，可再生能源本質(zhì)上不太可靠。光伏電池板在夜間不發(fā)電。由于可再生能源的可靠性較低，因此必須提供來(lái)自電網(wǎng)的電力作為備用電力。如果連接的電動(dòng)汽車(chē)的需求超過(guò)可用功率，則必須調(diào)整輸出功率，從而調(diào)整充電速度。某些轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵⒈绕渌負(fù)涓m合這種情況。

該領(lǐng)域出現(xiàn)的另一個(gè)趨勢(shì)是將電池集成為電網(wǎng)和 EVSE 之間的緩沖區(qū)。許多原始設(shè)備制造商已經(jīng)在使用電池作為中間儲(chǔ)能。電池實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)。本地儲(chǔ)能減少了對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)需求，它還允許在尚不存在三相電源的地區(qū)安裝快速充電器。

結(jié)論

充電器類(lèi)型會(huì)影響設(shè)計(jì)決策。

• 住宅 L2 空調(diào)：?jiǎn)挝怀杀臼侵饕紤]因素。

• 住宅 L2 DC：功能（包括雙向充電）推動(dòng)決策。

• 商用 L2 目的地充電器：對(duì)于收費(fèi)即服務(wù)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，單位成本已經(jīng)讓位于效率。

• 商用 L3 直流快速充電：可靠性和功能性（兼容性）正在成為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。一些國(guó)家正在提供補(bǔ)貼以加速這部分電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

成本、效率、可靠性和雙向性是影響電動(dòng)汽車(chē)充電站設(shè)計(jì)的四個(gè)系統(tǒng)級(jí)考慮因素。精心設(shè)計(jì)的充電站的關(guān)鍵是對(duì)這些方面的欣賞和優(yōu)先考慮。這將確保可靠、高效和具有成本效益的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠滿(mǎn)足對(duì)電動(dòng)汽車(chē)日益增長(zhǎng)的需求，并幫助電網(wǎng)保持彈性和可持續(xù)性。