成本、效率、可靠性和雙向性是影響電動汽車充電站設計的四個系統級考慮因素

電動汽車 （EV） 繼續普及。為了加速電動汽車革命，充電基礎設施正在根據不斷增長的需求擴大規模。促進向低碳交通的轉變是需要努力的。

電動汽車供電設備 （EVSE） 和充電站是電動汽車生態系統的重要組成部分。必須考慮幾個因素，以確保家庭、公共和商業充電設備有效、易于使用且用戶友好。系統工程師在為任何充電站設計電動汽車供電設備之前應考慮幾個因素。

充電站的基本要求

為了在 EVSE 的整個生命周期內獲得最佳回報，根據其用途和位置評估任何特定充電站的基本要求至關重要。這些要求可能并不總是相同的。在考慮充電站的高級設計時，請考慮它的使用方式和安裝位置。這些高級考慮因素將影響低級電氣設計。

這些考慮因素將受到充電站是供人流量大或低流量區域的公共使用，還是用于住宅用途的影響。該位置將對功能以及隨后的設計產生重大影響。

在規劃階段，確定充電站的最大可用輸入功率和所需的輸出功率非常重要。兩者都直接影響充電速度，根據這些參數選擇的設計拓撲也直接影響充電速度。更高的輸出需要更多的輸入功率，但可以更快地充電，從而減少用戶在充電站花費的時間。

但快速充電可能無法或不適合該位置。更高效的轉換拓撲降低了對輸入功率的需求，從而允許在一個位置實現更高的充電站密度。但此要求也可能影響其他因素，例如單位成本或可靠性。這些考慮因素與公共充電站更相關，因為用戶可能需要快速、隨時隨地充電。

系統級因素

原始設備制造商必須確定四個關鍵因素的相對優先級。這些因素是成本、效率、可靠性和功能性。每個拓撲都對所使用的拓撲有直接影響。針對所有四個因素優化設計可能不可行，因此確定優先級將有助于集中資源。在更廣泛的基礎上，平衡這些變量的全行業方法將產生一個不僅在經濟上可行，而且能夠滿足電動汽車生態系統需求的充電基礎設施。

單位成本

大批量部署是電動汽車充電站設計的關鍵因素，因為它直接影響充電網絡的可訪問性和可擴展性。所使用的拓撲以及充電硬件、儲能系統和網絡連接的選擇是總體成本的重要貢獻者。此外，應仔細評估選址、可再生能源的可用性和并網費用等因素，以優化每個充電站的成本效益。

效率

為了最大限度地提高可用能量并最大限度地縮短充電時間，效率將是一些電動汽車充電站的重中之重。充電效率目標將影響所使用的電路拓撲、電力電子設備（IGBT 或 SiC/GaN 功率器件）以及智能充電算法的集成。優先考慮效率的原始設備制造商必須專注于優化電源轉換過程、最大限度地減少損耗并整合智能功能，以便根據電網條件和用戶需求進行動態調整。

可靠性

故障間隔時間可能是充電站效率的決定性因素?？煽啃缘脑O計考慮因素包括硬件的穩健性、容錯性和冗余系統的實施。選擇高質量的組件、耐候材料、適當的熱管理以及先進的監控和維護系統對于確保不間斷服務至關重要。對于公共充電站，設計人員還需要考慮網絡安全等因素，以防范潛在威脅，確保充電站的安全可靠運行。

功能性

需要考慮的一個新興領域是雙向充電。越來越多的消費者正在了解車輛到電網 （V2G） 功能，使電動汽車不僅能夠消耗能源，還可以在需求高峰期將能量返回電網。這種雙向能量流需要先進的電力電子設備（即特定類型的分立電源、電源模塊和拓撲）、電網通信協議和智能充電算法。雙向性有可能在電動汽車閑置期間將其轉變為分布式能源，從而有助于電網的穩定性和彈性。目前，雙向充電針對的是家用充電器，但未來可能會改變。

充電站的基本組件

充電率將取決于用例以及可用功率。在家庭環境中，電動汽車可以長時間插入電源（例如過夜），因此將部署速度較慢的單相充電器。路邊充電器，例如在加油站，必須優先考慮便利性。這表明充電器的快速充電和高可用性可以滿足高峰需求。在這種情況下，將調試三相充電器。

電動汽車快速充電站的典型框圖如表 1 所示。該硬件架構的主要組件可提供 50kW 至 350kW 的輸出功率，包括：

• EMI濾波：該模塊過濾三相交流輸入電源，減少充電器產生的電磁輻射。

• PFC： 功率因數校正 （PFC） 級通過對齊電流和電壓波形、降低無功功率和最大限度地減少能量損失，確保更有效地利用從電網汲取的電力。

• AC/DC 轉換器：這將來自電網的交流電 （AC） 轉換為為電動汽車電池充電所需的直流電 （DC）。如果充電器由直流電源供電，則不需要此塊。

• DC/DC 轉換器：該模塊負責調整從交流電轉換的直流 （DC） 電源的電壓水平，以匹配電動汽車的電池（目前最高可提供 800V 電池），確保從充電狀態到車輛的高效電力傳輸。

• 電動汽車充電器控制：充電控制器管理電網和電動汽車之間的電流。它調節充電過程以確保最佳性能、防止過度充電并保護電池。如表1所示，它為連接到開關電源轉換器的柵極驅動器提供所需的PWM信號。

• 計量塊：該模塊的任務是在充電過程進行時精確測量和監控相關電氣參數。這對于公共充電器來說尤為重要，因為它必須準確測量和量化能耗、電壓、電流和其他相關參數，以生成精確的發票數據。在所有應用中，都需要計量來分析系統性能并保證充電站的整體可靠性和效率。

其他組件包括連接器、電纜、繼電器和執行器。

用于 AC/DC 和 DC/DC 轉換器的主要拓撲類型，每種拓撲都有其優缺點，總結如下：

表 1：AC/DC 整流器最常用的拓撲結構（來源：Avnet）

表 2：DC/DC 轉換器最常用的拓撲結構（來源：安富利）

網格界面

除了系統級的考慮外，OEM 的客戶還將從現有能源基礎設施的角度考慮要求。充電站與電網之間存在著復雜的關系。一個充電站的電力需求對電網的影響必須與許多充電站的需求進行比較。用戶體驗與當地電網可以提供的電量密不可分。

在繁忙時期，對輸出電力的需求可能會給電網帶來壓力。EVSE 轉換器設計拓撲必須考慮電源波動引起的漏洞。滿足電動汽車駕駛員不斷增長的電力需求并保持電網的穩定性需要協作。

將光伏 （PV） 和其他形式的可再生能源集成到充電站基礎設施中可以提高可持續性，同時減少對傳統電源的依賴。然而，可再生能源本質上不太可靠。光伏電池板在夜間不發電。由于可再生能源的可靠性較低，因此必須提供來自電網的電力作為備用電力。如果連接的電動汽車的需求超過可用功率，則必須調整輸出功率，從而調整充電速度。某些轉換器拓撲將比其他拓撲更適合這種情況。

該領域出現的另一個趨勢是將電池集成為電網和 EVSE 之間的緩沖區。許多原始設備制造商已經在使用電池作為中間儲能。電池實現了兩個目標。本地儲能減少了對電網的瞬時需求，它還允許在尚不存在三相電源的地區安裝快速充電器。

結論

充電器類型會影響設計決策。

• 住宅 L2 空調：單位成本是主要考慮因素。

• 住宅 L2 DC：功能（包括雙向充電）推動決策。

• 商用 L2 目的地充電器：對于收費即服務運營商來說，單位成本已經讓位于效率。

• 商用 L3 直流快速充電：可靠性和功能性（兼容性）正在成為關鍵驅動因素。一些國家正在提供補貼以加速這部分電動汽車充電基礎設施的發展。

成本、效率、可靠性和雙向性是影響電動汽車充電站設計的四個系統級考慮因素。精心設計的充電站的關鍵是對這些方面的欣賞和優先考慮。這將確?？煽俊⒏咝Ш途哂谐杀拘б娴幕A設施，能夠滿足對電動汽車日益增長的需求，并幫助電網保持彈性和可持續性。