解決新能源車快速充電站的兼容問題

現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施與汽車主電池（800V 或 400V）之間的不兼容，是目前里程焦慮問題的主要來源。解決這一問題對于消費(fèi)類電動(dòng)汽車使用率的持續(xù)增長至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，我們有解決方案。

DC 快速充電是里程焦慮問題的主要來源

雖然我們正在見證自蒸汽機(jī)以來汽車工業(yè)的最大變革，但我們都對基礎(chǔ)設(shè)施感到擔(dān)憂，因?yàn)樾枰哂锌沙掷m(xù)性和民眾基礎(chǔ)。電動(dòng)汽車一直是汽車行業(yè)最受寵的一個(gè)分支，每天都有很多圍繞著這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新涌現(xiàn)。其中很大一部分是基礎(chǔ)設(shè)施，它將以最一致、最有效的方式支持電動(dòng)汽車。工程師現(xiàn)在正在重新定義電動(dòng)汽車的架構(gòu)，他們正在考慮嵌入 800V 的電氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更快速的充電和更輕的重量，并增加兩次充電間的行駛里程。

隨著 OEM 廠商推出采用 800V 電池供電的全新車型，汽車的電氣化革命不斷向前推進(jìn)，這些電池不僅可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)及更高性能的汽車，而且還可加速充電。但 DC 快速充電存在不兼容性問題。要為 800V  電動(dòng)汽車快速充電，車主必須使用兼容的充電站，而不是當(dāng)前更普遍的 400VDC 充電站。400VDC 充電站不僅與這些新型電動(dòng)汽車不兼容，而且還在電流容量、電纜熱管理和電壓范圍方面有相當(dāng)大的限制。

現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施與 800V 汽車之間的不兼容，是當(dāng)前里程焦慮問題的主要來源，如果 OEM 廠商要繼續(xù)推動(dòng)汽車電氣化，就必須解決這個(gè)問題。幸運(yùn)的是，有解決方案。雖然一種解決方案是擴(kuò)大或改進(jìn)現(xiàn)有充電站網(wǎng)絡(luò)，但消除消費(fèi)者里程顧慮最可靠的方法是讓車載充電器與所有 DC 快速充電站兼容。

對于電動(dòng)汽車而言，增加流向電池的功率只有兩種主要方式：

增加電壓或電流。電流增加時(shí)，就需要增大電纜，因?yàn)樾枰嗟目臻g讓電子通過。增加電壓是一個(gè)非常不錯(cuò)的解決方案，因?yàn)楦偷碾娏魍ㄟ^電纜時(shí)，所需的電纜厚度縮小，讓整體的電阻較小，降低了電纜上的耗損。

除了石墨烯電池和固態(tài)電池外，800V 充電架構(gòu)是電動(dòng)汽車充電最振奮人心的發(fā)展。

DC 快速充電日益嚴(yán)峻的不兼容問題

不兼容問題主要集中在 DC 充電上，通常用于充電時(shí)間與時(shí)機(jī)都非常受限的長途駕駛。AC 充電對于日常充電而言不是問題，因?yàn)楝F(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施 AC 充電相當(dāng)方便。對于擁有電動(dòng)汽車的人來說，這種充電方式很容易實(shí)現(xiàn)，而且可以在對充電速度要求不高的家里（夜間）或工作單位（白天）充電。AC 充電是日常使用及短途駕駛的理想選擇，對于日常 300 公里的行程而言，這是成本最低而且最實(shí)用的解決方案。

但在人們長途旅行時(shí)，他們需要在公共場所快速充電，比如在高速公路的休息區(qū)。在這種情況下，他們可以使用 DC 快速充電站。這些充電站需要超過 50kW 的功率，峰值可達(dá) 150kW 或 350kW。雖然 DC 充電的使用頻率可能沒有 AC 充電那么高，但提供一個(gè)這種類型的可靠網(wǎng)絡(luò)來減少里程焦慮問題非常重要。到 2020 年，DC 充電網(wǎng)絡(luò)將擁有大約 40 萬個(gè)可供公眾充電的快速充電器，其中很少有支持 800V 汽車的充電器。例如，歐洲總共有 4 萬個(gè)充電站，其中只有 400 個(gè)支持 800V 汽車。

當(dāng) OEM 廠商開始推出 800V 新款汽車時(shí)，這種 400V 和 800V 充電站之間的不平衡將帶來一個(gè)重大問題：為其充電的公共基礎(chǔ)設(shè)施不足。

為什么 800V 更快？

800V 比 400V 更高效，因?yàn)楣南嗤瑫r(shí)，其能耗更低。它可減少電流；電流越低，導(dǎo)體中的電阻（能量）損耗就越低。讓 400V 電壓提高一倍，可顯著提升電動(dòng)汽車的充電速度。

電動(dòng)汽車采用 800V 架構(gòu)，車輛更輕、線纜更細(xì)，接線器更小，而且可通過配置電池，更高效地利用電源，因此，800V 可開啟更大行駛里程的全新時(shí)代。

今天的電動(dòng)汽車要么采用 400V 架構(gòu)，要么采用 800V 架構(gòu)。400V 更常見，因?yàn)樵摷夹g(shù)更為成熟，但越來越多的汽車推出了 800V，比如起亞 EV6 和保時(shí)捷 Taycan 等。

在電動(dòng)汽車架構(gòu)中融入 800V 技術(shù)，將電壓提高一倍，可在不增加熱量、無需新線纜和新電子組件的情況下，實(shí)現(xiàn)更快速度的充電。800V 充電架構(gòu)無需更粗的電纜，便可縮短充電時(shí)間，這不僅可減輕重量，而且還可縮小范圍。例如，保時(shí)捷 Taycan 在 5 分鐘多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)便可增加 62 英里的里程，而且從 5% 到 80% 的充電時(shí)間僅為 22.5 分鐘。

800V 能讓我們更快充電的原因是電池從充電器接收到的電力更多。在 400V 的系統(tǒng)中，由于電流很大，因此能量損耗會增加一倍。電流會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電阻損耗（能量損耗），因此其效率低下，特別是在快速充電的時(shí)候。

DC 快速充電器產(chǎn)生的熱量會使 400V 架構(gòu)的電池和充電電纜過熱，這就是為什么充電速度在 80% 后會急劇下降的原因。

800V 通過改變內(nèi)部電池單元的連接方式解決了這個(gè)問題，可使用更小的電流和更高的電壓。

毫無疑問，800V 非常出色，是對400V 的一個(gè)巨大升級。然而，它需要全新的工程設(shè)計(jì)。

探索 DC 快速充電解決方案

一般來說，解決 DC 快速充電問題有兩種方法：一種側(cè)重于對充電站進(jìn)行改造，而另一種則側(cè)重于改造車輛。

擴(kuò)建充電站 DC 快速充電網(wǎng)絡(luò)可緩解這個(gè)問題，但它可能既不是最快的，也不是最劃算的。擴(kuò)展 DC 快速充電網(wǎng)絡(luò)有兩種途徑：

●  增加 800V 充電站：安裝具有寬范圍電壓（從 250 到 920V）的全新 DC 快速充電站是一個(gè)解決方案，但這需要投入大量的時(shí)間和資金。當(dāng)前歐美大約有 1000 個(gè)提供 800V 充電的充電站，這大約只占所有已投入使用的 DC 充電站的 2%。為了應(yīng)對 800V 電動(dòng)汽車的增長，該網(wǎng)絡(luò)需要增加成百上千個(gè)這類充電站。安裝這么多新充電站將耗時(shí)數(shù)年，而且成本極高。

●  利用 400V 充電站：另一種方法是利用 400V 充電站，將其升級到也支持 800V 電壓的充電站，但這會帶來一系列自身的挑戰(zhàn)。以超高功率速率（超過 150kW）充電并非總是可用的，也并非總能實(shí)現(xiàn)（有溫度以及電池退化等問題）。此外，充電速度也會比 800V 的預(yù)期要慢。

使用模塊化 DC-DC 虛擬電池進(jìn)行車載充電，可提供高靈活性以及高達(dá) 99.5% 的效率

與擴(kuò)展充電網(wǎng)絡(luò)相比，車載轉(zhuǎn)換解決方案是一種實(shí)現(xiàn) 400V 或 800V 兼容的更全面方案。這種方案可以更快采用，無需對充電基礎(chǔ)設(shè)施投入資金。

800V 電池和 400V 充電器之間的不兼容問題可通過“電池虛擬化”解決。通過電池虛擬化，即使 800V 電池與車載充電器一端相連，該充電器也可在其另一端“發(fā)現(xiàn)”400V 電池。這種方案從電池電壓開始，使其適應(yīng)充電站可接受的電壓范圍。（圖 1）

圖 1：800V 電池和 400V 充電器之間的不兼容問題可通過車載“電池虛擬化”解決。通過電池虛擬化，即使 800V 電池與車載充電器一端相連，該充電器也可在其另一端發(fā)現(xiàn) 400V 電池。這種方方案從電池電壓開始，使其適應(yīng)充電站可接受的電壓范圍。

Vicor 高密度、高功率模塊可用于實(shí)現(xiàn)支持電池虛擬化的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器車載充電解決方案，不會增加尺寸、重量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

Vicor NBM? 雙向模塊可轉(zhuǎn)換數(shù)十千瓦的功率，功率密度可達(dá) 550kW/L 和 130kW/kg，使用的電源轉(zhuǎn)換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少減少 50%。

圖 2：Vicor NBM? 雙向模塊可轉(zhuǎn)換數(shù)十千瓦的功率，功率密度可達(dá) 550kW/L和 130kW/kg，使用的電源轉(zhuǎn)換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少少 50%。將電池連接至 NBM 模塊的一側(cè)，將立即虛擬化另一側(cè)的電池，從而可按常量因子成倍增加或遞減電壓或電流。

使用電源模塊的另一個(gè)原因

NBM 不僅能實(shí)現(xiàn)電池充電虛擬化，而且還能與動(dòng)力電池集成，為低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)提供更高的效率。例如，市區(qū)駕駛需要較低的轉(zhuǎn)速，800V 牽引逆變器的效率會大幅下降 15% 以上。NBM 能夠通過這種輔助方式為逆變器提供一半的電池電壓，從而可將開關(guān)損耗銳減一半，增加行駛里程。這是集成型模塊化供電方案如何優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)的另一項(xiàng)優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)部分利用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器以保持峰值效率。

使用車載升壓轉(zhuǎn)換，可在啟動(dòng)前消除里程焦慮問題

雖然充電站基礎(chǔ)設(shè)施肯定會擴(kuò)大以滿足電動(dòng)汽車的增長需求，但僅靠擴(kuò)建并不能解決 400V/800V 的兼容性問題。減少里程焦慮最有效的解決方案是設(shè)計(jì)與所有 DC 快速充電器兼容的車載充電器。

來源：Vicor

作者：Haris