【導(dǎo)讀】一輛純電動(dòng)車(chē)(EV)充滿電需要多久?如果借助家用交流電源的話,恐怕怎么也得花上一整個(gè)晚上。為解決充電時(shí)間問(wèn)題,三級(jí)「快速」直流充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,有望將充電時(shí)間從數(shù)小時(shí)減少至數(shù)分鐘。本文中,我們將探討轉(zhuǎn)換效率與高速電源轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系,并揭示新型寬帶隙技術(shù)非常適合此類(lèi)工作的理由。
充電時(shí)間和續(xù)航里程一樣重要
純電動(dòng)車(chē)正越來(lái)越流行,而隨著潛在用戶(hù)對(duì)它們的了解愈發(fā)深入,純電動(dòng)車(chē)極有可能迎來(lái)更快速的發(fā)展。根據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)預(yù)測(cè),從2018年到2050年,續(xù)航里程達(dá)到160.9km、321.8km和482.8km級(jí)別的純電動(dòng)乘用車(chē)將實(shí)現(xiàn)29%的增長(zhǎng)。得益于美國(guó)聯(lián)邦和各州為刺激純電動(dòng)車(chē)需求而頒布的法案和激勵(lì)措施,更多消費(fèi)者如今都愿意在購(gòu)買(mǎi)新車(chē)時(shí)將純電動(dòng)車(chē)列入候選中。不論消費(fèi)者此舉是出于「保護(hù)地球環(huán)境」的「政治正確」,還是經(jīng)過(guò)詳細(xì)、明智的考察之后做出的認(rèn)真決策,續(xù)航里程一定會(huì)是選擇過(guò)程中繞不過(guò)去的話題,一些思緒更加深入的消費(fèi)者可能會(huì)進(jìn)一步考慮充滿電所需要的時(shí)間。在絕大多數(shù)車(chē)主看來(lái),純電動(dòng)車(chē)充電就好比燃油車(chē)加油,后者花費(fèi)的時(shí)間顯然不會(huì)超過(guò)10到15分鐘;然而,對(duì)于純電動(dòng)車(chē),現(xiàn)實(shí)卻很骨感:大多數(shù)純電動(dòng)車(chē)都采用車(chē)載交流充電方案,必須花上整整一個(gè)晚上或者至少好幾個(gè)小時(shí)才能充滿電(表1)。目前,美國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)部署的純電動(dòng)車(chē)充電樁大都是一級(jí)充電樁(通常采用家用交流電)或二級(jí)充電樁(接入三相交流電的停車(chē)場(chǎng)和零售場(chǎng)所)。上述充電級(jí)別是由美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)定義的,該協(xié)會(huì)的J1772標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一級(jí)和二級(jí)充電樁的插頭和插座布局方式。對(duì)于二級(jí)和三級(jí)充電樁,SAE規(guī)定了一種組合的插頭和插座制式。
表1:純電動(dòng)車(chē)充電樁的類(lèi)型,列出了各種充電級(jí)別以及對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間和功率需求(來(lái)源:安森美半導(dǎo)體)
正如表1所示,如果純電動(dòng)車(chē)要解鎖如同燃油車(chē)一般的「快速回血」技能,就必須借助四級(jí)充電樁和支持直流充電的車(chē)輛。實(shí)現(xiàn)四級(jí)充電需要極高的功率,并且其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不再是車(chē)載交-直流充電樁,而是大功率、高效率的直流充電樁。如今,四級(jí)充電樁雖然在技術(shù)上可行,但它對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求極高,因此在綜合考慮充電時(shí)間、成本和電網(wǎng)承載能力三者平衡的情況下,三級(jí)充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。
快速、大功率三級(jí)充電樁的設(shè)計(jì)
三級(jí)充電樁也稱(chēng)為「快充」充電樁,最大可提供500A電流,需采用高效三相電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?,這種拓?fù)渫ǔJ褂脦е绷?直流轉(zhuǎn)換器、基于Vienna整流器的功率因數(shù)校正(PFC)方法(圖1)。這種交流-直流轉(zhuǎn)換方法充分利用了電網(wǎng)三相電源中三個(gè)互不相同的電平,能夠以高效率、高密度、低物料消耗的方式實(shí)現(xiàn)所需輸出功率。
圖1:采用Vienna PFC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞募冸妱?dòng)車(chē)三級(jí)充電樁(來(lái)源:安森美半導(dǎo)體)
采用Vienna拓?fù)溆兄T多優(yōu)勢(shì),但也會(huì)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn),因?yàn)椴捎迷撏負(fù)湫枰獙?shí)現(xiàn)大功率高頻轉(zhuǎn)換
開(kāi)關(guān)操作,此舉還會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,加之轉(zhuǎn)換損耗所產(chǎn)生的熱量也需要得到處理。這些挑戰(zhàn)以及充電設(shè)備的位置所帶來(lái)的空間限制,驅(qū)使著電源設(shè)計(jì)工程師不斷尋求超越當(dāng)今硅基二極管和MOSFET特性的半導(dǎo)體制程技術(shù)。
精彩內(nèi)容未完待續(xù)......
作者簡(jiǎn)介
Robert Huntley是一位具有HND資格認(rèn)證的工程師和技術(shù)作家。他擁有電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程等專(zhuān)業(yè)背景,代表貿(mào)澤電子撰寫(xiě)了各種技術(shù)和實(shí)踐文章。
本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子。
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