一臺12脈沖的強迫風(fēng)冷晶體閘流管堆可以提供2MW的輸出功率，而且比金氧半場效晶體管（MOSFET）配置需要更少空間。

Martin Schulz，Littelfuse應(yīng)用工程全球負(fù)責(zé)人（Littelfuse） Littelfuse的應(yīng)用工程全球負(fù)責(zé)人Martin Schulz博士撰寫了這篇文章，并投稿至SAE媒體部，詳細(xì)介紹了一種快速、高效地為電動商用車高功率充電的替代技術(shù)。 電動汽車普及面臨的最大障礙就是充電基礎(chǔ)設(shè)施。充電站的可用性和充電所需的時間已經(jīng)成為限制電動汽車普及的關(guān)鍵難題，尤其是商用長途電動車（CEV）。

卡車和公交車等重型化石燃料汽車所產(chǎn)生的排放量約占所有汽車排放量的25%。由于這些重型汽車行駛距離較長而且路線不定，因此其電氣化進程給充電基礎(chǔ)設(shè)施帶來了挑戰(zhàn)。充電站需要1MW以上的可用電力，才能在駕駛員可接受的30分鐘用餐時間內(nèi)為一輛長途CEV充滿電。

大功率充電站的傳統(tǒng)電路設(shè)計是采用寬禁帶半導(dǎo)體，例如SiC MOSFETS。不管怎樣，最重要的設(shè)計目標(biāo)必須是將效率最大化，因為功率損耗會導(dǎo)致成本增加與能源浪費。本文詳細(xì)介紹了另一種用于電解過程的拓?fù)鋵W(xué)設(shè)計，可以極大提高電路效率、降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并大幅降低能源成本。

所需功率大小

白天提供同城快遞服務(wù)的CEV通常配備有中央倉庫，可以進行夜間充電。一個功率為8-10kW的充電器至少需要8小時的空閑時間，才能為一輛電動汽車提供50-80kWh的電量。電動公交車的電池容量一般為250kWh，需要30-40kW的充電功率才能在6-8小時的空閑時間充滿電。通常一個500kWh的充電器就能滿足這一充電需求。

對于長途汽車等無法實現(xiàn)夜間充電的車輛，必須提供公路沿線充電站進行充電。一輛長途CEV需要500kW的充電功率才能在30分鐘內(nèi)充滿電，而要滿足這一電能輸送水平，充電站的充電功率必須在1MW以上。因此，大功率充電站的標(biāo)準(zhǔn)定義是充電功率高達(dá)2.2MW，而且在未來幾年內(nèi)可以升級至4.5MW的充電站。

大功率充電技術(shù)

圖1.使用中壓變壓器的四站式大功率充電器系統(tǒng)。?（Littelfuse）

乘用車充電器等目前市場上的充電器的功率高達(dá)350kW，通常以6-10個為一組安裝在充電站內(nèi)。為了滿足安裝所需的功率，需要采用降壓變壓器將10-30kV的電網(wǎng)電壓降低至690V。圖1展示的是一個配備有4個充電器的充電站的安裝框圖。通過并聯(lián)60-80kW功率的交直流轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)350kW的功率。交直流轉(zhuǎn)換器由具有升壓和功率因數(shù)校正電路的輸入端和帶有直流降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端組成。輸出端可以提供可控電壓，為電動汽車充電。

圖2.傳統(tǒng)高功率電池充電器拓?fù)涫褂秒娏OSFETS進行交直流轉(zhuǎn)換。?（Littelfuse）

對于800V級電池系統(tǒng)，充電器必須在高達(dá)920V的電壓下工作，才能對這些電池進行正確充電。如圖2所示，在功率設(shè)計中使用1200V的SiC MOSFET，電路的總體效率可達(dá)到97%。

基于MOSFET的交直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計所需的空間為每單位體積35L，即19英尺（483mm）寬、31.5英尺（800mm）深和2個高度單位（HU）高。并聯(lián)5個70kW的交直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出功率為350kW，所需空間為175L，其中不包括冷卻電路所需的電泵和散熱器所占的空間。一個350kW的并聯(lián)充電器所占的最小空間的邊長為1.5米（59英尺）、體積為3.4 m3（120 ft3），其中包電子設(shè)備、冷卻系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。

用于CEV的新型電壓電池組的電壓很有可能將會高達(dá)1.5kV。為解決電池電壓高的問題，可使用具有更高額定電壓的MOSFET，但這也會占用更大的空間。因此，可以采用另一種方法，為2MW及以上的充電器提供更好的解決方案。

基于電解的高效設(shè)計

電解是一種使用直流電壓驅(qū)動陰極和陽極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生純元素的電化學(xué)過程。該過程需要采用高質(zhì)量的直流電壓并精確控制電流。電池充電也是一種電化學(xué)過程，可采用電解技術(shù)。

圖3.大功率12脈沖橋式整流器的電路拓?fù)洹?/p>

大功率電解系統(tǒng)通常采用基于可控12脈沖的橋式晶閘管整流器配置的電路拓?fù)?。圖3展示了這種大功率晶閘管電解系統(tǒng)。該設(shè)計采用單級交直流能量轉(zhuǎn)換，具有出色的效率和可靠性。?基于晶閘管的設(shè)計已經(jīng)使用了幾十年，組件具有優(yōu)越的功率和熱循環(huán)能力。?

基于晶閘管的設(shè)計與基于MOSFET的設(shè)計在輸出等效功率下采用的變壓器尺寸相同。晶閘管拓?fù)涞某叽缈梢苑浅Ｐ?，僅為MOSFET設(shè)計的10%，因此節(jié)省了空間。

圖4.使用兩個串聯(lián)的6脈沖橋式整流器的電池緩沖充電器。

還有一種解決方案是在系統(tǒng)中加入電池組，以減輕電池充電系統(tǒng)對于電網(wǎng)的高功率需求?；诰чl管的設(shè)計可以為緩沖電池組供電，而后者的電壓高于CEV電池，因此充電電路需要采用降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器，以調(diào)整充電器的輸出電壓并為CEV電池供電。根據(jù)選定的電壓器繞組技術(shù)，設(shè)計者可以使用配備有并聯(lián)晶閘管橋（如圖3所示）或串聯(lián)橋（如圖4所示）的電路。

采用基于MOSFET的整流器設(shè)計的充電器就無法將電力輸送回電網(wǎng)。而采用基于晶閘管、配備電池的電路拓?fù)?，充電器可以緩解電網(wǎng)的峰值需求，也可以向電網(wǎng)提供存儲能量。晶閘管的觸發(fā)角決定了電路是將直流電供應(yīng)給電池，還是將交流電輸送回電網(wǎng)。如果觸發(fā)角小于90°，晶閘管處于整流模式；當(dāng)觸發(fā)角在90-180°之間時，晶閘管則處于逆變模式。

晶閘管設(shè)計的優(yōu)勢

圖5.2.2MW電池充電器工作指南。

推動公司間電動出行業(yè)務(wù)協(xié)作的非盈利組織CharIN發(fā)布了商用車大功率充電指南，該指南提供了充電電壓、電流和總功率的最大建議值。圖5顯示了容量高達(dá)2.2MW的充電器的建議運行區(qū)域。

如果采用供電電流為1000A以上，導(dǎo)通狀態(tài)的電阻約為1 mΩ的適當(dāng)功率的晶閘管，一個B6橋電路可以在內(nèi)部損耗電量僅為2000W的情況下，輸出1.1MW的電量，充電效率超過99.7%。

采用MOSFET拓?fù)?，可以將兩個并聯(lián)充電器的充電效率從97%提升至98.5%。但即使這樣，該配置也無法達(dá)到基于晶閘管的拓?fù)渌峁┑男?。此外，雙充電器MOSFET的成本更高而且可靠性更低。

而且，基于晶閘管的設(shè)計所需的空間小得多。一個電壓為2000V、輸出電流為1700A的B12C電池組的尺寸如圖所示。其中，兩個風(fēng)冷裝置所需空間為0.4 m3（14 ft3）?；诰чl管的設(shè)計無需使用泵、管道和散熱器對冷卻液進行冷卻，可以將安裝所需空間由6 m3（212 ft3）左右減少至1 m3（35 ft3）以下，從而節(jié)省了83%的安裝空間。

一個2.4MW的充電器可以在10分鐘內(nèi)為長途CEV電池組輸送400kWh的電量。假設(shè)充電器在1小時內(nèi)為3輛CEV充電10分鐘，那么每天可以為72輛CEV充電24小時。如果在一年之內(nèi)每周都運行7天，該充電器可以為26000多輛汽車供電。

該充電器提供的總電量將超過1000萬kWh。一個效率為97%的充電器因發(fā)熱損耗的電量為30萬kWh。按照0.11美元/kWh的電費來計算，一個2.4MW的充電器因電量損耗造成的損失為33000美元。每安裝1000臺充電器，電量損耗所造成的損失將達(dá)3300萬美元。

一臺基于晶閘管拓?fù)涞?.4MW充電器可實現(xiàn)99.7%的效率，而且可以將97%效率的充電器產(chǎn)生的電量損耗降低90%。?此外，充電器電力電子設(shè)備的較低冷卻需求進一步降低了能耗。?

在效率為97%的轉(zhuǎn)換器中，主動冷卻系統(tǒng)必須管理60kW的電量損耗。而冷散熱器和電泵在分解60kW的熱量時，很容易消耗掉20kW的電量。當(dāng)散熱器、電泵與充電器運行相同時間，即超過4300小時時，就會額外消耗86000kWh的電量。每安裝1000個充電器，所產(chǎn)生的額外電力需求就會產(chǎn)生950萬美元的電費。

在發(fā)電時每節(jié)省1kWh的電量，就可以減少0.5kg的二氧化碳排放。因此，通過這一更有效的方法，每個充電器產(chǎn)生的二氧化碳排放量每年可以再減少190噸。

審核編輯：劉清