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概述用于快速充电站的AC/DC转换器

2023-03-10 15:33:16 Saumitra Jagdale 阅读:
AC/DC转换器是扩展和改进电动汽车功能的基础元件。

电动汽车(EV)是未来实现可持续交通领域的一个主要部分,技术前景广阔。AC/DC转换器是扩展和改进EV功能的基础元件。本文概述了AC/DC转换器、充电站类型、传统两电平(2L)AC/DC转换器面临的问题以及使用多电平转换器(MLC)的重要性。1vyednc

面向新能源汽车的未来,高效的电源管理是其快速发展的基石。我们需要更多的技术创新,不断的积极探索提升汽车的电源管理水平的方法,才能够更好的应对市场的高速增长。1vyednc

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AC/DC充电器示意图(来源:IES Synergy)1vyednc

AC/DC转换器的意义

插座主要提供交流电,而EV电池要用直流电为电池充电。因此,需要一种用于将交流电转换为直流电的AC/DC转换器。它也是EV电池充电器的主要元件,并充当用于功率因数校正和减少谐波的输入电流整形器。1vyednc

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AC/DC转换器电路的原理图(来源:Multisim)1vyednc

上面的电路图说明了一个简单的AC/DC转换器:这里使用四个通用整流二极管来对AC输入进行整流。变压器的功能是将230V的交流电降压至13V,它由四个二极管组成,电路布置为全桥。整流器将对交流信号的正峰值和负峰值进行整流。在桥式变换器之后加一个滤波电容来平滑输出电压。此外,齐纳稳压器连接在输出前以反向偏置连接来调节输出电压。1vyednc

充电站的种类

由于可充电电池是电动汽车运行的动力来源,因此了解充电站的一些参数非常重要。最基本的参数如电源效率、紧凑的架构和快速充电等将决定目标充电站的总生产力。1vyednc

电动汽车充电站分为1型,2型和3型。1vyednc

1型是较小尺寸电池的一部分。1型的充电时长约为8至10小时;不过这可能会因电池的能量容量而异。它只能使用交流充电,并且有一个车载充电器,因为充电元件位于EV内部。1vyednc

2型的充电时间约为1型充电时间的一半。此外,3型快速充电站使用外部充电器(非车载)提供高压。它能够在短短20到30分钟内为电动汽车充电,而1型或2型充电站可以在4到8小时内为车辆充电。1vyednc

实现快速充电站的要求

快充的功率范围在50kW以上,根据行业标准,这已经是高功率了。因此需要更大的AC/DC转换器来为快充提供额外的电力。因此,大功率充电最好在充电站内置AC/DC转换器的情况下进行,而不是由于尺寸限制而安装在车辆内。1vyednc

美国汽车工程师学会(SAE)标准定义的快速充电站的另一项要求是“配电网和电池组之间的电流的隔离”。有两种架构可用于实现这一点,一种是在输入侧使用低频变压器,另一种是通过隔离式DC/DC转换器在直流阶段中使用高频变压器。1vyednc

传统的AC/DC转换器及其缺点

通常使用传统的AC/DC转换器,例如2L电压源换流器(VSC)。使用这些转换器的缺点是它们的额定功率有限和谐波污染大。为了避免这些缺点,使用了混合滤波器,但这些滤波器也增加了系统的成本。这些转换器还有不合要求的高开关频率。在大功率应用中,开关会承受大量电压和电流,并且受到半导体器件现有技术的限制。1vyednc

MLC的重要性

为了克服这些阻碍,2L AC/DC转换器应被MLC取代。MLC已被证明具有许多优点,例如低谐波、低电压应力和高功率能力。MLC用于减少开关元件,并通过单相T型转换器产生多电平输出。1vyednc

不同数量的MLC电平可实现更平滑的输出波形,从而减少谐波和输出滤波器尺寸。MLC的主要类型是中性点钳位(NPC)、级联H桥(CHB)和快速电容器(FC)。其中,最受欢迎的CHB能够在各个H桥电池上使用不同的直流电压,从而将功率转换分为高压/低频和低压/高频逆变器。1vyednc

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三电平NPC VSC的一个状态 (来源:ScienceDirect)1vyednc

上图表示三电平NPC逆变器的一个状态。它们是MLC的一个系列,其特点是使用钳位二极管来保证电源开关之间适当的电压分担。NPC逆变器的每条支路都有四个可以控制的晶体管,总共提供24=16种可能状态,但其中只有三种状态是可行的,因为其他状态会在直流链路上造成短路。1vyednc

电动汽车充电的未来

从内燃机到电动汽车的转变是一个长期过程。许多石油公司已经通过建立充电站或推广针对电动汽车维护的产品,在电动汽车网络中占有一席之地。未来的预期工作期望能在FC中使用MLC,以从这些转换器的各种优势中受益,同时为电动汽车提供高功率和超快速充电系统。为了帮助电动汽车普及,政府和电动汽车充电公司必须确保快速充电基础设施可用。如果没有高效的充电基础设施,电动汽车的普及可能是一个缓慢的过程。1vyednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Overview of AC/DC Converters for Fast-Charging Stations,由Ricardo Xie编译。)1vyednc

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