用于快速充電站的AC／DC轉(zhuǎn)換器概述

電動(dòng)汽車構(gòu)成了未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通部門的有前途技術(shù)的主要部分。AC/DC 轉(zhuǎn)換器是擴(kuò)展和改進(jìn) EV 功能的骨干組件。本文概述了 AC/DC 轉(zhuǎn)換器、充電站類型、傳統(tǒng)兩電平 (2L) AC/DC 轉(zhuǎn)換器面臨的問題以及使用多電平轉(zhuǎn)換器 (MLC) 的重要性。

AC/DC 充電器示意圖（：IES Synergy）

AC/DC轉(zhuǎn)換器的意義

插座主要提供交流電，而 EV 電池使用直流電為電池充電。因此，需要一種用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的交流/直流轉(zhuǎn)換器。它也是 EV 電池充電器的主要組件，并充當(dāng)用于功率因數(shù)校正和諧波減少的輸入電流整形器。

此 AC/DC 轉(zhuǎn)換器電路的原理圖（：Multisim）

上面的電路圖說明了一個(gè)簡(jiǎn)單的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器：這里使用四個(gè)通用整流二極管來對(duì) AC 輸入進(jìn)行整流。變壓器的功能是將 230-VAC 電源降壓至 13 VAC，電路布置為全橋，因?yàn)樗伤膫€(gè)二極管組成。整流器將對(duì)交流信號(hào)的正峰值和負(fù)峰值進(jìn)行整流。在橋式變換器之后加一個(gè)濾波電容來平滑輸出電壓。此外，齊納穩(wěn)壓器連接在輸出前的反向偏壓中以調(diào)節(jié)輸出電壓。

充電站的種類

由于充電電池是電動(dòng)汽車運(yùn)行的動(dòng)力，因此了解充電站的一些參數(shù)非常重要。電源效率、緊湊型架構(gòu)和快速充電等大多數(shù)基本參數(shù)將決定目標(biāo)充電站的整體生產(chǎn)力。

電動(dòng)汽車充電站分為、二級(jí)和三級(jí)。

I 級(jí)構(gòu)成較小電池尺寸的部分。Level I 的充電時(shí)長約為 8 至 10 小時(shí)；但是，這可能會(huì)因電池的能量容量而異。它僅使用交流充電，并且有一個(gè)車載充電器，因?yàn)槌潆娊M件位于 EV 內(nèi)部。

Level II 的充電時(shí)間約為 Level I 充電時(shí)間的一半。此外，三級(jí)快速充電站使用外部充電器（非車載）提供高壓。它能夠在短短 20 到 30 分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，而或二級(jí)充電站可以在四到八小時(shí)內(nèi)為車輛充電。

啟用快速充電站的要求

快充的功率范圍在50千瓦以上，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算高了。因此需要更大的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器來為快速充電提供額外的電力。因此，大功率充電在充電站內(nèi)置 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的情況下進(jìn)行，而不是由于尺寸限制而安裝在車輛內(nèi)。

汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 標(biāo)準(zhǔn)定義的快速充電站的另一項(xiàng)要求是“配電網(wǎng)和電池組之間的電流隔離”。有兩種架構(gòu)可用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一種是在輸入側(cè)使用低頻變壓器，另一種是通過隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在直流級(jí)中實(shí)施高頻變壓器。

傳統(tǒng)的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器及其缺點(diǎn)

通常使用傳統(tǒng)的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如 2L 電壓源轉(zhuǎn)換器 (VSC)。使用這些轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是它們具有有限的額定功率和高諧波污染。為了避免這些缺點(diǎn)，使用了混合濾波器，但這些濾波器也增加了系統(tǒng)的成本。這些轉(zhuǎn)換器也有不希望有的高開關(guān)頻率。在大功率應(yīng)用中，開關(guān)會(huì)承受大量電壓和電流，并且受到半導(dǎo)體器件現(xiàn)有技術(shù)的限制。

MLC 的重要性

為了克服這些挫折，2L AC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該被 MLC 取代。MLC 已被證明具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如低諧波、低電壓應(yīng)力和高功率能力。MLC用于減少開關(guān)元件并由單相T型變換器產(chǎn)生多電平輸出。

不同數(shù)量的 MLC 電平可實(shí)現(xiàn)更平滑的輸出波形，從而減少諧波和輸出濾波器尺寸。MLC 的主要類型是中性點(diǎn)鉗位 (NPC)、級(jí)聯(lián) H 橋 (CHB) 和快速電容器 (FC)。其中，的 CHB 能夠在各個(gè) H 橋電池上使用不同的直流電壓，從而將功率轉(zhuǎn)換分為高壓/低頻和低壓/高頻逆變器。

三級(jí) NPC VSC 的一個(gè)階段（：ScienceDirect）

上圖表示三電平 NPC 逆變器的一相。它們是 MLC 系列，其特點(diǎn)是使用鉗位二極管來保證電源開關(guān)之間的適當(dāng)電壓共享。NPC 逆變器的每條支路都有四個(gè)可以控制的晶體管，總共提供 24 = 16 種可能狀態(tài)，但其中只有三種狀態(tài)是可行的，因?yàn)槠渌麪顟B(tài)會(huì)在直流鏈路上造成短路。

電動(dòng)汽車充電的未來

從內(nèi)燃機(jī)到電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變是一個(gè)長期過程。許多石油公司已經(jīng)通過建立充電站或推廣旨在維護(hù)電動(dòng)汽車的產(chǎn)品，在電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)中占有一席之地。未來的預(yù)期工作期待在 FC 中使用 MLC，以從這些轉(zhuǎn)換器的各種優(yōu)勢(shì)中受益，同時(shí)為電動(dòng)汽車提供高功率和超快速充電系統(tǒng)。為了幫助電動(dòng)汽車普及，政府和電動(dòng)汽車充電公司必須確?？焖俪潆娀A(chǔ)設(shè)施的可用性。如果沒有高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施，電動(dòng)汽車的普及可能是一個(gè)緩慢的過程。