电动汽车充电站:电源设计的一个新出路

日期:2011-08-23

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  预计未来几年,随着电动车越来越多为消费者接受,也带来了广泛的电源管理要求,发展这些插电式汽车已经开始为汽车、电力电子技术行业的工程师创造了许多机会。

  然而, 插电式混合动力电动车(PHEV)和电动车(EV)的到来标志着一个新的产业,它正在建设能源管理所需的基础设施以支持这些车辆。本文着眼于这一基础设施的一个组成部分——电动车充电站,以及如何开发有关技术的挑战、可能为电力电子工程师创造出许多新的机遇。

  万众期待的PHEV 汽EV 已经在全球汽车市场到来,市场分析家预测未来几年这些“插电式”车辆的销售将迅速崛起。Pike Research 认为,到2015 年插电式车辆的年销量将从去年的几千辆增长到超过100 万辆(图1)。虽然这些数字代表的比例并不大,当未来的发展仍有潜在的优势。

  为了支持插电式车的推出,正在发展包括电动汽车充电站的加油站(图2)。这些充电站称为电动车供电设备或EVSE,以满足各自不同的功能、性能、耐用性和价格要求。在性能方面,EVSE 的一个重要区别是为电动汽车电池充电的速度。

  充电时间在很大程度上取决于适用EVSE 的标准。例如,在北美,美国汽车工程师学会(SAE)制定了J-1772 标准,它定义了Level 1 是利用传统120 伏交流电源插座,Level 2 是208-240VAC 充电,如常用在某些家电的电源。在欧洲,IEC 61851 定义了根据Mode 1 和Mode 2 规范充电的形式。

  图1:预测2015 年插电式混合动力电动汽车在北美、西欧和亚太地区的强劲增长将超过100 万辆。(来源:Pike Research)

  图2:在全球市场,预测电动汽车充电站每年将与插电式车的销售速度同步上升。(来源:Pike Research)

  通常电动汽车可以提供Level 1 的能力,但Level 2 充电器可以更快充电。GE 北美EVSE 产品线经理Dan Ciarcia解释说,Level 2 EVSE 可电动车电池充电,所需时间不到Level 1 EVSE 的三分之一E。

  然后,还有所谓的Level 3 充电器,可以在更少的时间为电动汽车电池充电。Pike Research 市场分析师John Gartner 称,Level 3 包括直流快速充电,如日本汽车制造商定义的CHAdeMO标准。CHAdeMO 兼容DC 快速充电器可以使日产Leaf 的24 千瓦时电池在30 分钟充电80%。

  虽然一些EVSE 厂家支持ChAdeMO, 但尚未得到美国汽车制造商支持。在美国,SAE 说正在发展直流快速充电,预计不会兼容ChAdeMO 标准。因此,有可能会出现两个快速充电标准。

  这种情况在欧洲模糊不清。虽然并非所有欧洲汽车制造商都支持ChAdeMO。

  目前,CHAdeMO 和其他多种建议的快速充电标准正在争取欧洲接受,法国、德国和意大利的个别汽车制造商也在推动自己的国家规范。过多标准在满足多样化的需求的同时,无疑将增加EVSE 产品开发的负担。

  然而,标准的竞争被认为是直流快速充电技术在电动汽车在市场上取得成功的关键,因为它填补了一个传统内燃发动机汽车空白。直流快速充电器产品是电力电子工程师最大的设计挑战和机会。

  在谈快速充电器设计面临的一些具体问题之前,让我们考虑一些Level和2 EVSE 开发的问题。

  EVSE 设计挑战

  虽然电动车的供电设备和电动汽车充电站往往交替使用,这可能有点误导,因为实际上电池充电器通常在车内。

  Ciarcia 说:“作为EVSE 供应商,我们负责为车辆提供电力。车辆是真正的主人,决定了它要多少能源,并通过与我们的充电站的通信来请求。”

  施耐德电气北美电动车业务主管Mike Calise 解释说:“产品需要提供电动车所需的安全可靠的电力,需要的是真正的配电产品。”

  这种底层的配电技术是成熟的,如元件、接触器、连接器、熔断器、接地故障断流器(GFIS)等。然而,鉴于目前Level 2 充电器特别是直流快速充电器,UL 标准的要求和用户安全仍然是功耗设计的挑战。

  Calise 说:“虽然行业不提倡,一个孩子应该能够在暴雨中拿起充电器插头插入电车辆,也是100%安全。”因此,实施接地故障中断、浪涌抑制和热管理成为主要的电源设计挑战。

  他认为,“最终,人们感兴趣的是用有线或无线控制开/ 关电路。例如,比方说,你可以在夜间和清晨给汽车充电,但我们不希望在繁忙时间充电,因为这时负载率最高。所以,你有时间元件和遥控开关元件,让电力以某些给定的时间序列切换开启或关闭,或者你支配的电力,并允许它以较低速率充电。”

  随着越来越多的EVSE 部署,能源管理方面的问题比比皆是,电力公司和充电站业主要解决负载平衡问题。这将不仅包括管理的能量传递到EV 以压低充电成本,最终还涉及车辆到电网的电力输送。另外,还有使用

  可再生能源系统为EVSE 充电的问题,以及与电网相关的能源管理问题。所有这些先进的能源管理能力将涉及智能电网的功能,应该为电力电子工程师创建了进一步的机会。

  作者简介

  David G. Morriso 是How2Power.com 的编辑,该网站旨在加速电源设计的信息搜索。Morriso 也是How-

  2Power Today 的编辑,它是报道电力电子行业的电源转换设计技术、新的电源组件和职业机会的免费每月

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