電動車充電基礎設施與技術概述

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引言
電動車因其零尾氣排放和環(huán)保特性正在改變現(xiàn)代交通方式。到2020年，全球電動車數(shù)量達到約850萬輛，預計到2040年將增長58%。政府激勵措施和電池成本的下降推動了這一發(fā)展，電池組成本已從每千瓦時1200美元降至150美元，預計到2030年將進一步降至70美元。

4 ~* _$ A2 ]9 U' A圖1展示了純電動汽車的基本架構，顯示了從電網(wǎng)供電經過各種轉換階段到牽引電機和輔助負載的功率流程。
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* M9 R1 [. L& Z3 I; U充電系統(tǒng)分類
7 E7 Z0 g$ q2 R  e3 f電動汽車充電系統(tǒng)根據(jù)功率傳輸方式分為三大類。車載充電器（OBC）集成在車輛內部，包括專用和集成型兩種。非車載充電器作為外部充電站具有更高的功率能力。半車載充電器將組件分布在車輛和地面基礎設施之間，常用于無線充電應用。

. c, \1 A! {. g& U/ ^圖2展示了電動汽車充電系統(tǒng)的完整分類，詳細說明了車載、非車載和半車載充電技術之間的關系。

. D, s& g( R3 Q/ W+ K5 G$ w2 r供電設備與通信
充電接口需要配備具有內置安全和通信功能的復雜供電設備。
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7 _7 q) S" X$ [圖3顯示了EVSE線路配置，包括用于安全充電操作和系統(tǒng)通信的控制導頻（CP）和臨近導頻（PP）線。
5 R0 S0 M  D' G- w$ s/ |
9 T5 g6 _8 x: m- x3 \2 r8 X功率轉換架構
現(xiàn)代車載充電器采用先進的電力電子技術實現(xiàn)高效能量轉換。兩級配置較為常見，包括功率因數(shù)校正（PFC）和DC-DC轉換階段。

( t  ?2 b% B+ `/ o) p/ g, y圖4展示了Delta-Q OBC線路配置，說明交錯升壓變換器和移相全橋變換器各階段。
, Q; |0 B- |: [4 B6 g. t+ g
( C; n- |& W: H- g$ f. P# C7 A完整系統(tǒng)包含兩個功率階段的復雜控制機制。

' C7 o5 a, J, ?/ G) q) |  s. e圖5展示了傳統(tǒng)升壓PFC車載充電器的完整架構，包括功率元件和控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)實現(xiàn)
控制架構采用雙環(huán)結構，精確調節(jié)充電參數(shù)。
: v, L6 H  o4 G2 z/ g
" P+ @& B. R% C( ]2 b圖6顯示了升壓PFC變換器(a)和隔離DC-DC變換器(b)的控制線路架構，說明雙環(huán)控制結構。
$ @9 k* O. }( u2 u3 a
4 F, A& Q8 N0 e' @( C對于交錯設計，多個控制環(huán)路協(xié)同工作。

$ [8 K5 ^0 \1 e: N8 P圖7展示了具有雙電流控制環(huán)路的交錯升壓PFC變換器控制器架構。

" F0 M% [: i+ ~5 Y% D7 f系統(tǒng)響應特性通過精心的控制器設計得到優(yōu)化。
1 U/ V( o; Z+ q1 a
( r9 X' |0 e( s6 V( p8 i圖8顯示PFC變換器傳遞函數(shù)的伯德圖：(a)無控制器的電流環(huán)，(b)無控制器的電壓環(huán)，(c)有控制器的電流環(huán)，(d)有控制器的電壓環(huán)。

性能分析
現(xiàn)代充電系統(tǒng)在各種工作條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定性能。高輸入電壓下的系統(tǒng)行為顯示出優(yōu)秀的調節(jié)能力。
( o' X$ S: U1 p4 g- p- i( p3 i
圖9展示了264V輸入時一級升壓PFC車載充電器的響應，顯示輸入電流、DC鏈路電壓和輸出特性。

( h1 h9 _6 v. u5 `1 m3 b5 M低電壓運行保持穩(wěn)定的性能特征。

圖10展示了85V輸入時一級升壓PFC車載充電器的響應，顯示在較低輸入電壓下的穩(wěn)定性能。

0 a2 `, S7 }1 J0 }* q% @. t比較分析揭示了不同拓撲方法的優(yōu)勢。
8 ~0 z8 D* G+ T3 a! B5 W/ r# F
3 d3 s9 U1 e1 i( a. m, h8 z( O7 h圖11顯示了升壓PFC和交錯升壓PFC車載充電器的比較分析：(a)輸入功率因數(shù)，(b)輸入電流總諧波失真，(c)輸入紋波電流，(d)電池端輸出電壓紋波。

標準和協(xié)議
1 q2 L4 E" C8 T' M2 Q; c( A7 P. J國際標準規(guī)范電動汽車充電實施。SAE J1772定義了多個充電等級：

AC Level 1在120V下運行，功率達1.44kW

AC Level 2在208-240V下運行，功率達14.4kW

DC充電等級支持200-600V運行，功率輸出可達240kW

CHAdeMO標準經過多個版本演進，從1.0版本的50kW能力發(fā)展到3.0版本的900kW。聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）提供350kW充電能力，區(qū)域變體包括北美和韓國使用的CCS-1，以及歐洲和澳大利亞市場使用的CCS-2。

技術規(guī)格
% t2 Y- P9 t8 o. e* w9 w. U7 `商用車載充電器系統(tǒng)通常實現(xiàn)85-264V AC的通用輸入電壓兼容性。輸出功率范圍從3.3kW到22kW，DC輸出電壓從200-650V。這些系統(tǒng)保持90%以上的峰值效率，同時提供精確的充電控制和保護功能。

" W: R4 P1 ^5 y% ?* f% \6 wPFC階段維持單位功率因數(shù)運行，同時最小化輸入電流失真。DC鏈路電壓調節(jié)確保中間母線電壓穩(wěn)定，具有最小紋波。隔離DC-DC階段提供電氣隔離和精確的電池充電電壓控制。
- D2 A" H6 R# `" n. a5 M
現(xiàn)代車載充電器實現(xiàn)：

功率因數(shù)超過0.99

輸入電流總諧波失真低于5%

輸出電壓紋波低于2%

系統(tǒng)效率達到90-95%
未來發(fā)展
電動汽車充電技術通過電力電子和控制系統(tǒng)的進步持續(xù)發(fā)展。氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶半導體器件實現(xiàn)更高的開關頻率和改進的效率。這些發(fā)展配合復雜的控制算法，增強充電系統(tǒng)性能，同時減小尺寸、重量和成本。

研究工作繼續(xù)在無線充電技術、超快充電系統(tǒng)和雙向功率流能力等領域展開。這些進步將支持電動汽車日益增長的需求，同時保持高標準的安全性和效率。國際標準的持續(xù)發(fā)展確保不同地區(qū)和車輛平臺之間的互操作性和一致性能。

% E. ?: j  n0 x高效充電基礎設施的成功部署對電動汽車的廣泛采用至為必要。電力電子、控制系統(tǒng)和充電協(xié)議的持續(xù)創(chuàng)新將推動充電速度、效率和用戶便利性的改進，支持全球向電動出行的轉變。
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" a) g1 i( D% X' H參考文獻
. c$ E, l7 |$ a, q' f) P' ^[1] D. Kishan, R. Kannan, B. D. Reddy, and P. Prabhakaran, Eds., Power Electronics for Electric Vehicles and Energy Storage. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2023.
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