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為兼容電動汽車基礎設施鋪平道路

中東、歐洲和非洲地區汽車業務高級現場應用工程師 Haris Muhedinovic 表示,車載轉換可幫助電動汽車在任何充電站充電,這可解決 400V/800V 電動汽車快速充電不兼容的問題。

盡管公共基礎設施無法滿足 800VDC 的快速充電要求,但隨著當前電動汽車主電池電壓從 400V 提高到 800V,充電焦慮也在不斷加劇。升級充電站基礎設施並不是一個站得住腳的短期解決方案。兼容 400V 或 800V 的車載轉換解決方案是一種更快、更全面的方法。采用這種方法無需投入大量資金,執行起來非常便捷。

DC 快速充電的不兼容性

不兼容問題主要集中在 DC 充電上,其通常用於時間與接入都非常有限的長途駕駛。AC 充電對於日常充電而言不是問題,因為現有電網基礎設施 AC 充電相當方便。對於擁有電動汽車的人來說,這種充電方式很容易實現,而且可以在家裏(夜間)或工作單位(白天)充電,充電速度並不重要。AC 充電是日常使用及短途駕駛的理想選擇,對於每天 300 公裏的行程而言,這是低成本而且有效的解決方案。

但在人們長途旅行時,他們需要在公共場所快速充電,比如在高速公路的服務區。在這種情況下,他們可以使用 DC 快速充電站。這些充電站需要超過 50kW 的電力,峰值可達 150kW 或 350kW。雖然 DC 充電的使用頻率可能沒有 AC 充電那麼高,但提供一個這種類型的可靠網路來減少裏程焦慮問題非常重要。2020 年,DC 充電網路擁有大約 40 萬個可供公眾充電的快速充電樁,其中很少支持 800V 汽車。例如,歐洲總共有 4 萬個充電樁,其中只有 400 個支持 800V 汽車。

當 OEM 廠商開始推出 800V 新款汽車時,這種 400V 和 800V 充電站之間的不平衡帶來一個重大問題:為其充電的公共基礎設施不足。

探索 DC 快速充電解決方案

一般來說,有兩種方法可以解決 DC 快速充電問題:一種側重於對充電站進行改造,而另一種則側重於對車輛進行改造。

擴充充電站 DC 快速充電網路可緩解該問題,但它可能既不是最快的,也不是最劃算的。擴充 DC 快速充電網路有兩種途徑:

  • 增加 800V 充電站:安裝支持寬範圍電壓(從 250 到 920V)的全新 DC 快速充電站是一個解決方案,但這需要投入大量的時間和資金。今天,歐美大約有 1000 個提供 800V 充電的充電站,這只占所有已投入使用的 DC 充電站的 2%。為了應對 800V 電動汽車的增長,該網路需要增加成百上千個這類充電站。安裝這麼多新電站將耗時幾年,而且成本極高。
  • 利用 400V 充電站:另一種方法是利用 400V 充電站,將其升級到也支持 800V,但這也會帶來一系列其自身的挑戰。以超高功率速率(> 150kW)充電並非永遠可用,也並非總能實現(溫度以及電池退化等問題)。此外,充電時間也會比 800V 的預期要慢。

使用模組化 DC-DC 虛擬電池進行車載充電,可提供高靈活性以及高達 99% 的效率。與扩充充電網路相比,車載轉換解決方案是一種實現 400 或 800V 兼容的更全面方法。這種方法可以更快采用,無需在充電基礎設施上投入資金。

800V 電池和 400V 充電器之間的不兼容問題可通過「電池虛擬化」解決。通過電池虛擬化,即使 800V 電池與車載充電器一端相連,該充電器也可在其另一端「看到」 一個 400V 電池。這種方法從電池電壓開始,使其適應充電站可接受的電壓範圍(圖 1)。

Battery virtualization illustration

這種方法從電池電壓開始,使其適應充電站可接受的電壓範圍。

Vicor 高密度、高功率模組可用於實施 DC-DC 轉換器車載充電解決方案,實現電池虛擬化,而不會增加尺寸、重量,也不會增加設計復雜度。

Vicor NBM™ 雙向模組可轉換數十千瓦的功率,不僅功率密度可達 550kW/ 升和 130kW/kg,使用的電源轉換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少小 50%。Vicor 專有 SAC™(正弦振幅轉換器)拓撲可確保一次側和二次側上的軟開關,效率可達 99%。這種性能不僅意味著簡潔的 EMC 設計,而且還可提供靈活的散熱管理(圖 2)。

NBM module image

圖 2:  Vicor NBM 雙向模組可轉換數十千瓦的功率,不僅功率密度可達 550kW/ 升和 130kW/kg,使用的電源轉換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少小 50%。

將電池連接至 NBM 模組的一側,將立即虛擬化另一側的電池,從而可按常數因子成倍增加或減小電壓或電流。最終,NBM 模組可擴充充電站的電壓範圍 (250 ~ 460V 至 500 ~ 920V),這不僅可增加整體可用充電點的數量,同時還可使電動汽車與所有 DC 充電站兼容。

完美的動力系統設計和高帶寬控製器可實現這種電池虛擬化。Vicor 封裝技術不僅可簡化裝配與製造,而且還可提供電源的靈活性與可擴充性。OEM 廠商可使用相同的模組配置從 50 到 150kW 的可擴充充電電源包,無需額外的資質和認證。

使用電源模組的另一個原因

NBM 不僅能提供電池充電虛擬化,而且還能與動力電池集成,為低轉速駕駛提供更高的效率。例如,市區駕駛需要較低的轉速,800V 牽引逆變器的效率會顯著降低 15% 以上。NBM 能夠以這種輔助方式用一半的電池電壓為逆變器供電,從而可將開關損耗銳減一半,增加行駛裏程。這是集成的模組化供電方案如何優化供電網路的另一項優勢,實現了部分利用 DC-DC 轉換器保持最高效率。

使用車載升壓轉換,可在啟動前消除裏程焦慮

雖然充電站基礎設施肯定會擴大,以滿足電動汽車的增長需求,但僅靠擴建並不能解決 400V/800V 的兼容性問題。減少裏程焦慮有效的解決方案是設計與所有 DC 快速充電器兼容的車載充電器。

Vicor 采用高性能電源模組的車載解決方案可實現 800V/400V 車輛與 DC 充電網路的全面兼容,能夠以少的投入換來大的效益。Vicor 解決方案的尺寸和重量平均只有大多數分立式解決方案的一半,可提供極高的效率和可擴充性。,它能夠轉換數十千瓦的功率,實現高達 550kW/ 升和 130kW/kg 的功率密度。高功率密度、靈活性和高效率的完美結合,使 Vicor 電源模組成了解決 400V/800V 電動汽車充電兼容性問題的理想車載解決方案。

本文 最初由 Electronic Specifier 發表。

Haris Muhedinovic 與 OEM 廠商和 TIER 合作,為要求苛刻的汽車應用設計開發高性能電源解決方案。Haris 非常關註電源電子與電子系統,對工業新技術和新趨勢了如指掌,因此他實施的電源解決方案可滿足苛刻的規格要求。Haris 畢業於薩拉熱窩大學,獲理工科碩士學位,在電源電子設計與應用工程方面擁有長達 7 年的豐富經驗。

Haris Muhedinovic

Haris Muhedinovic,高級現場應用工程師

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