固態變壓器設計解鎖更快的電動汽車充電速度
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電動汽車快速充電站的快速建設 正在考驗當今電網的極限。由于單個充電器的電量為 350 至 500 千瓦（或更多），這使得電動汽車的充電時間現在在功能上相當于汽油或柴油汽車的加滿時間，滿充電站可以達到兆瓦級的需求。這足以給中壓配電網帶來壓力，中壓配電網是連接高壓輸電線路和為家庭和企業最終用戶提供服務的低壓線路的電網部分。
直流快速充電站往往集中在城市中心、高速公路沿線和車隊倉庫中。由于負載在整個網絡中分布不均勻，因此特定的變電站會過度工作，即使總電網容量額定可以容納負載。 隨著越來越多的充電站、電力需求更大的上線，克服這個問題需要電力電子設備不僅緊湊高效，而且能夠管理本地存儲和可再生能源輸入。
電動汽車充電中的固態變壓器
固態變壓器 （SST） 是實現電網現代化以滿足汽車電氣化和可再生能源發電需求的最有前途的技術之一。SST 執行與傳統變壓器相同的基本功能——升壓或降壓。但它使用半導體、碳化硅或氮化鎵開關的高頻轉換以及數字控制來實現這一點，而不是單獨使用無源磁耦合。SST 的設置使其能夠動態控制潮流。
幾十年來，充電基礎設施一直依賴線頻變壓器 （LFT），即電動汽車電池所需的交流電到直流電的外部轉換之前或之后，將中壓交流電降壓到低壓交流電的大型鐵和銅組件。一個典型的 LFT 可以包含多達幾百公斤的銅繞組和幾噸鐵。所有這些金屬都成本高昂，而且越來越難以采購。這些系統可靠，但體積龐大且效率低下，尤其是當能量在本地存儲和車輛之間流動時。SST 比它們設計要取代的 LFT 更小、更輕。
“我們的解決方案實現了與單端口轉換器相同的半導體器件數量，同時提供多個獨立控制的直流輸出。”–Shashidhar Mathapati，臺達電子
但迄今為止開發的大多數多端口 SST 都過于復雜或成本高昂（是 LFT 前期成本的 5 到 10 倍）。這種差異，加上 SST 對輔助電池組的依賴，這增加了更多費用并降低了可靠性，解釋了為什么固態的明顯優勢尚未激勵人們從 LFT 轉向該技術。
如何提高固態變壓器的效率
在 8 月 20 日發表在 IEEE Transactions on Power Electronics 上的一項研究中，位于班加羅爾的印度科學研究所和臺達電子印度公司的研究人員提出了一種基于級聯 H 橋 （CHB） 的多端口 SST，以消除這些妥協。“我們的解決方案實現了與單端口轉換器相同的半導體器件數量，同時提供多個獨立控制的直流輸出，”臺達電子首席技術官 Shashidhar Matapati 說。“這意味著沒有額外的電池存儲，沒有額外的半導體器件，也沒有額外的中壓絕緣。”
該團隊構建了一個 1.2 千瓦的實驗室原型來驗證設計，在額定負載下實現了 95.3% 的效率。他們還模擬了一個全尺寸 11 千伏、400 千瓦的系統，分為兩個 200 千瓦的端口。
該系統的核心是位于轉換器低壓側的多繞組變壓器。這種配置避免了對昂貴、笨重的中壓絕緣的需求，并允許在沒有輔助電池的情況下在端口之間進行功率平衡。作者在論文中寫道：“以前基于 CHB 的多端口設計需要多個電池組或電容器網絡來平衡負載。”我們已經證明，您可以通過更簡單、更輕、更可靠的變壓器布置來實現相同的結果。”
一種新的調制和控制策略在電網接口處保持單位功率因數，這意味著來自電網的電流不會因在源極和負載之間來回振蕩而浪費，而無需做任何功。作者描述的SST還允許每個直流端口獨立運行。實際上，連接到充電器的每輛車都能夠接收適當的電壓和電流，而不會影響相鄰端口或干擾電網連接。
使用串聯的碳化硅開關，該系統可以在保持高效率的同時處理中壓輸入。11 kV 電網連接每相只需要 12 個級聯模塊，大約是一些模塊化多電平轉換器設計的一半。更少的模塊最終意味著更低的成本、更簡單的控制和更高的可靠性。
盡管仍處于實驗室階段，但該設計可以實現新一代緊湊、經濟高效的快速充電集線器。通過消除對中間電池存儲的需求（這增加了成本、復雜性和維護），所提出的拓撲可以延長電動汽車充電站的運行壽命。
據研究人員稱，該轉換器不僅僅用于電動汽車充電。任何需要中壓到多端口低壓轉換的應用（例如數據中心、可再生能源集成或工業直流電網）都可以受益。
對于面臨兆瓦級需求的公用事業和充電提供商來說，這種簡化的固態變壓器可以幫助使電動汽車革命更加友好，并為等待充電的司機提供更快的速度。
研究人員開發了一種更便宜、更小的固態變壓器的原型，可以有利于電動汽車充電。Harisyam PV、Saichand Kasicheyanula 等人。
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