Движущие силы технологического развития Глобальная трансформация электрификации ускоряется благодаря ужесточению экологических норм, прорывам в аккумуляторных технологиях и снижению стоимости литий-ионных элементов. Встроенная система зарядки, являющаяся основной подсистемой электромобилей, напрямую влияет на время зарядки, энергоэффективность, безопасность автомобиля и срок службы батареи.-Например, высокоэффективная система зарядки может сократить время зарядки дома с 8 часов до 4 часов, а система низкого-качества может сократить срок службы батареи более чем на 30 %.
Однако проектирование современной системы зарядки выходит далеко за рамки одного преобразователя мощности, требуя междисциплинарной совместной структуры, охватывающей семь основных элементов: архитектура системы (автомобиль/не-транспортное средство, одно-этапный/много-ступенчатый, с электрической изоляцией или без нее), топология силового преобразователя (переменный/постоянный ток или постоянный/постоянный ток, изолированный/не-изолированный, однонаправленный/двунаправленный), стратегии управления (регулирование напряжения и тока, мощность коррекция коэффициентов), конфигурация аккумуляторной батареи (расположение элементов, управление температурным режимом), химический состав литий-ионных элементов (LFP, NMC, NCA), интеграция системы управления батареями (BMS) и защита безопасности (мониторинг изоляции, обнаружение неисправностей). Взаимодействие этих элементов определяет общую производительность системы, и ее конструкция должна адаптироваться к различным сценариям,-от домашней зарядки переменным током до автомобиля,-до-сетевой инфраструктуры (V2G).
Основные компоненты системы зарядки Основной функцией системы зарядки электромобиля является преобразование энергии сети в форму, которая может храниться в аккумуляторе. Типичная функциональная цепочка включает четыре части: интерфейс сети переменного тока (подключение к однофазной/трехфазной-сети электропитания), активный выпрямительный каскад (обеспечивающий коррекцию коэффициента мощности, PFC), изолированный преобразователь постоянного тока (адаптирующийся к напряжению шины постоянного тока и обеспечивающий электрическую изоляцию) и аккумуляторный блок (включая элементы LFP/NMC/NCA и BMS).
Между этими двумя типами систем зарядки существуют существенные различия: внешние зарядные устройства не ограничены размером и рассеиванием тепла и могут обеспечить сверхбыструю зарядку мощностью 50-350 кВт-; бортовые зарядные устройства (БЗУ) должны быть встроены в транспортное средство и должны отвечать требованиям по компактности (объему<10L), high efficiency (>95%) и электромагнитной совместимости (ЭМС) с типичной мощностью от 3,3-22 кВт. В настоящее время устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) (карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN)) меняют конструкцию преобразователей. Их более высокие частоты переключения (в 3–5 раз выше, чем у традиционных кремниевых устройств) и превосходные тепловые характеристики обеспечивают решающую поддержку миниатюризации и эффективности встроенных зарядных устройств.
Проект базовой архитектуры бортовых-систем зарядки
2.1 Встроенное-зарядное устройство (OBC) и автономные-станции быстрой зарядки
Бортовые-зарядные устройства и внешние-станции быстрой зарядки — это взаимодополняющие решения, адаптируемые к различным сценариям применения:
Бортовые зарядные устройства-: полностью встроены в автомобиль и могут заряжаться от стандартной розетки переменного тока, не требуя специальной инфраструктуры. Их основным преимуществом является гибкость.-пользователи могут заряжать дома, в офисе и т. д. в любое время. Однако из-за ограничений по размеру транспортного средства и условий рассеивания тепла их мощность обычно составляет 3,3-22 кВт. При проектировании топологии приоритет должен отдаваться эффективности и компактности (например, с использованием бесмостовой топологии PFC с тотемным-полюсным полюсом). Текущие основные продукты достигают плотности мощности 3–5 кВт/л с использованием устройств SiC/GaN со стабильным КПД выше 95%. Управление зарядкой напрямую координируется с BMS, что делает их подходящими для домашних путешествий и поездок по городу на короткие расстояния.
Внешние-станции быстрой зарядки. Они размещают цепь преобразования энергии вне автомобиля и могут выдавать высокое-постоянное напряжение (например, 800 В) с выходной мощностью 50 -350 кВт, что обеспечивает сверх-быструю зарядку до 80 % за 15 минут. Их конструкция не имеет ограничений по размеру и может использовать модульную архитектуру и систему жидкостного охлаждения для обеспечения возможности непрерывного обслуживания (например, круглосуточную работу зарядных станций такси). Однако они полагаются на выделенную инфраструктуру и подходят для поездок на дальние расстояния и для коммерческих автомобилей.
Однонаправленные и двунаправленные системы зарядки
В зависимости от направления потока мощности системы зарядки можно разделить на две категории:
Unidirectional charging systems: Energy flows only from the grid to the vehicle. Due to their simple structure, low cost, and short certification process, they remain the mainstream. Its topology is mostly "Boost/Vienna rectifier front end + isolated DC/DC", focusing on optimizing power factor (>0,99) и гармонические искажения (THD<5%), suitable for scenarios such as home charging where "the vehicle is only used as a load", accounting for more than 80% of the current on-board charger market.
Двунаправленная система зарядки: поддерживает обратный поток энергии (отгрузка автомобиля в сеть/нагрузку), обеспечивая функции V2G (автомобиль к сети), V2H (автомобиль к дому) и V2L (автомобиль к нагрузке)-например, в периоды пиковой нагрузки транспортное средство может разряжаться в сеть для снижения давления в электросети; во время перебоев в подаче электроэнергии автомобиль может выступать в качестве аварийного источника электроэнергии для дома. Для него требуется полностью контролируемая топология (например, полный-мост, тип T-, преобразователи DAB), он соответствует таким требованиям, как синхронизация сети и поддержка реактивной мощности, а для безопасной связи опирается на такие протоколы, как ISO 15118-20.