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为什么快速充电对电动汽车很重要?

2023-06-07 17:10:15 Saumitra Jagdale 阅读:
今天的电动汽车(EV)正在慢慢占领汽车行业,并将取代传统的燃油汽车。

今天的电动汽车(EV)正在慢慢占领汽车行业,并将取代传统的燃油汽车。这种变化的驱动因素是对节约化石燃料和保护环境的需求不断增加。如今,传统燃油汽车造成的温室气体排放量占总排放量的17%。电动汽车不仅通过利用可再生能源有助于减少化石燃料的使用,而且还有助于保护环境,因为它们几乎没有排放。它们提供高能效和清洁能源,从而为不断发展的电动汽车行业铺平了道路。UAuednc

尽管电动汽车是一个很好的选择,但重要的是要考虑到它们面临的潜在障碍,例如有限的行驶里程和更长的充电时间。与传统车辆相比,较低的续航里程意味着行驶距离的限制。这对不断增长的用户数量构成了一个主要问题,因为当前的基础设施和电网不足以跟上这一激增的速度。UAuednc

即使所有的加油站都换成电动汽车充电站,问题也只会得到部分解决。虽然加油大约需要几分钟,但为电动汽车充电的等待时间可能从15分钟到几个小时不等,具体取决于充电器的技术和功率水平。作为解决方案,充电时间需要大大减少。UAuednc

快速充电的电池优化

由于电池是快速充电系统的主要组成部分,因此了解电池在快速充电下的性能对于提高效率非常重要。美国国家可再生能源实验室(NREL)给出了一些锂离子电池的电化学模型,以优化电极和电池设计。这些先进的电化学模型加快了下一代电池的开发速度,这些电池将能够提供快速充电、高能量、低成本和更长的使用寿命。UAuednc

  • 宏观均质模型测试了锂在电池中的运动,并分析其在电极厚度方向上的反应速率。这些模型用于表达速率限制并确定实现快速充电的新方法。
  • 微观结构模型基于活性材料颗粒的三维几何结构。它们提供有关颗粒如何填充到电极中的信息。微观结构模型描述了离子必须行进的距离以及它们在电极周围移动时所面临的障碍物。
  • 衰退模型用于测量锂析出或阴极开裂等衰退方式如何影响电池的整体性能。他们比较电池中的各种反应,以评估新电池材料来提高性能。

提高功率密度的电路

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氮化镓(GaN)有源钳位移相全桥电路图(来源:IEEE)UAuednc

该电路描述了GaN有源钳位移相全桥架构,这是一种DC/DC转换器,能够从EV中的400V车辆牵引电池中传输能量,为12V电气系统供电。其软开关与GaN晶体管相结合,可将开关频率显着提高,最高达500kHz。这反过来又有助于提高功率密度。UAuednc

在这个电路中,低导通和低开关能量是通过使用远优于硅器件的碳化硅(SiC)或GaN晶体管实现的。该电路还能够提供显着增加的功率密度水平,同时保持现有的高效率。其原型实现了超过95%的效率以及12.5kW/L的功率密度。UAuednc

增强快充机制

虽然直流快速充电器能够显着缩短充电时间,但直流充电站的安装成本非常高。此外,由于电力需求高,它们给电网带来了压力。UAuednc

一个潜在的解决方案是将直流充电器与电池储能系统(BESS)集成在一起。将BESS与直流充电器集成的目的是能够从电网和电池存储系统供电。当未连接EV时,BESS从电网充电并存储能量。然后,一旦连接了EV,就会同时从电网和电池系统供电,以承受快速充电,同时减少电网的负载。UAuednc

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电池储能系统(来源:MDPI)UAuednc

考虑到直流快速充电的主要问题之一是距离短,因此迫切需要缩短充电时间并增加兼容的基础设施。因此,BESS与直流充电器的集成显着降低了电网基础设施成本。此外,电池新技术的发展、大规模生产(尤其是锂离子电池)和电池成本的降低使得固定式BESS的实施更加可行。UAuednc

快速充电的广泛采用

随着电动汽车的普及,有很多公司采用这种方法,包括EVgo和特斯拉。UAuednc

EVgo提供方便且价格实惠的EV充电网络。该公司在“The Costs of EV Fast Charging Infrastructure and Economic Benefits to Rapid Scale-Up”(电动汽车快速充电基础设施的成本和快速扩大规模的经济效益)一文中进行了广泛的研究,表明其支持为其电动汽车充电器部署直流快速充电机制。UAuednc

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EVgo充电器(来源:EVgo)UAuednc

特斯拉是世界领先的电动汽车制造商之一,发布了一份有关其总体规划第3部分的文件。此文件讨论了该公司新车型的计划及其如何帮助维持环境,并说明了推荐的“path to a sustainable global energy economy via end-use electrification as well as sustainable power generation and storage”(通过终端电气化以及可持续发电和存储实现可持续全球能源经济的途径)。它还重点介绍了支撑这一主张的假设、来源和计算方法。UAuednc

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特斯拉电动汽车(来源:特斯拉)UAuednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Why Is Fast Charging Important in EVs?,由Ricardo Xie编译。)UAuednc

责编:Ricardo
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