一臺12脈沖的強迫風冷晶體閘流管堆可以提供2MW的輸出功率，而且比金氧半場效晶體管（MOSFET）配置需要更少空間。

Martin Schulz，Littelfuse應用工程全球負責人（Littelfuse） Littelfuse的應用工程全球負責人Martin Schulz博士撰寫了這篇文章，并投稿至SAE媒體部，詳細介紹了一種快速、高效地為電動商用車高功率充電的替代技術。 電動汽車普及面臨的最大障礙就是充電基礎設施。充電站的可用性和充電所需的時間已經成為限制電動汽車普及的關鍵難題，尤其是商用長途電動車（CEV）。

卡車和公交車等重型化石燃料汽車所產生的排放量約占所有汽車排放量的25%。由于這些重型汽車行駛距離較長而且路線不定，因此其電氣化進程給充電基礎設施帶來了挑戰。充電站需要1MW以上的可用電力，才能在駕駛員可接受的30分鐘用餐時間內為一輛長途CEV充滿電。

大功率充電站的傳統電路設計是采用寬禁帶半導體，例如SiC MOSFETS。不管怎樣，最重要的設計目標必須是將效率最大化，因為功率損耗會導致成本增加與能源浪費。本文詳細介紹了另一種用于電解過程的拓撲學設計，可以極大提高電路效率、降低系統復雜性，并大幅降低能源成本。

所需功率大小

白天提供同城快遞服務的CEV通常配備有中央倉庫，可以進行夜間充電。一個功率為8-10kW的充電器至少需要8小時的空閑時間，才能為一輛電動汽車提供50-80kWh的電量。電動公交車的電池容量一般為250kWh，需要30-40kW的充電功率才能在6-8小時的空閑時間充滿電。通常一個500kWh的充電器就能滿足這一充電需求。

對于長途汽車等無法實現夜間充電的車輛，必須提供公路沿線充電站進行充電。一輛長途CEV需要500kW的充電功率才能在30分鐘內充滿電，而要滿足這一電能輸送水平，充電站的充電功率必須在1MW以上。因此，大功率充電站的標準定義是充電功率高達2.2MW，而且在未來幾年內可以升級至4.5MW的充電站。

大功率充電技術

圖1.使用中壓變壓器的四站式大功率充電器系統。?（Littelfuse）

乘用車充電器等目前市場上的充電器的功率高達350kW，通常以6-10個為一組安裝在充電站內。為了滿足安裝所需的功率，需要采用降壓變壓器將10-30kV的電網電壓降低至690V。圖1展示的是一個配備有4個充電器的充電站的安裝框圖。通過并聯60-80kW功率的交直流轉換器，可實現350kW的功率。交直流轉換器由具有升壓和功率因數校正電路的輸入端和帶有直流降壓轉換器的輸出端組成。輸出端可以提供可控電壓，為電動汽車充電。

圖2.傳統高功率電池充電器拓撲使用電力MOSFETS進行交直流轉換。?（Littelfuse）

對于800V級電池系統，充電器必須在高達920V的電壓下工作，才能對這些電池進行正確充電。如圖2所示，在功率設計中使用1200V的SiC MOSFET，電路的總體效率可達到97%。

基于MOSFET的交直流轉換器設計所需的空間為每單位體積35L，即19英尺（483mm）寬、31.5英尺（800mm）深和2個高度單位（HU）高。并聯5個70kW的交直流轉換器產生的輸出功率為350kW，所需空間為175L，其中不包括冷卻電路所需的電泵和散熱器所占的空間。一個350kW的并聯充電器所占的最小空間的邊長為1.5米（59英尺）、體積為3.4 m3（120 ft3），其中包電子設備、冷卻系統和輔助系統。

用于CEV的新型電壓電池組的電壓很有可能將會高達1.5kV。為解決電池電壓高的問題，可使用具有更高額定電壓的MOSFET，但這也會占用更大的空間。因此，可以采用另一種方法，為2MW及以上的充電器提供更好的解決方案。

基于電解的高效設計

電解是一種使用直流電壓驅動陰極和陽極發生化學反應，以產生純元素的電化學過程。該過程需要采用高質量的直流電壓并精確控制電流。電池充電也是一種電化學過程，可采用電解技術。

圖3.大功率12脈沖橋式整流器的電路拓撲。

大功率電解系統通常采用基于可控12脈沖的橋式晶閘管整流器配置的電路拓撲。圖3展示了這種大功率晶閘管電解系統。該設計采用單級交直流能量轉換，具有出色的效率和可靠性。?基于晶閘管的設計已經使用了幾十年，組件具有優越的功率和熱循環能力。?

基于晶閘管的設計與基于MOSFET的設計在輸出等效功率下采用的變壓器尺寸相同。晶閘管拓撲的尺寸可以非常小，僅為MOSFET設計的10%，因此節省了空間。

圖4.使用兩個串聯的6脈沖橋式整流器的電池緩沖充電器。

還有一種解決方案是在系統中加入電池組，以減輕電池充電系統對于電網的高功率需求。基于晶閘管的設計可以為緩沖電池組供電，而后者的電壓高于CEV電池，因此充電電路需要采用降壓直流-直流轉換器，以調整充電器的輸出電壓并為CEV電池供電。根據選定的電壓器繞組技術，設計者可以使用配備有并聯晶閘管橋（如圖3所示）或串聯橋（如圖4所示）的電路。

采用基于MOSFET的整流器設計的充電器就無法將電力輸送回電網。而采用基于晶閘管、配備電池的電路拓撲，充電器可以緩解電網的峰值需求，也可以向電網提供存儲能量。晶閘管的觸發角決定了電路是將直流電供應給電池，還是將交流電輸送回電網。如果觸發角小于90°，晶閘管處于整流模式；當觸發角在90-180°之間時，晶閘管則處于逆變模式。

晶閘管設計的優勢

圖5.2.2MW電池充電器工作指南。

推動公司間電動出行業務協作的非盈利組織CharIN發布了商用車大功率充電指南，該指南提供了充電電壓、電流和總功率的最大建議值。圖5顯示了容量高達2.2MW的充電器的建議運行區域。

如果采用供電電流為1000A以上，導通狀態的電阻約為1 mΩ的適當功率的晶閘管，一個B6橋電路可以在內部損耗電量僅為2000W的情況下，輸出1.1MW的電量，充電效率超過99.7%。

采用MOSFET拓撲，可以將兩個并聯充電器的充電效率從97%提升至98.5%。但即使這樣，該配置也無法達到基于晶閘管的拓撲所提供的效率。此外，雙充電器MOSFET的成本更高而且可靠性更低。

而且，基于晶閘管的設計所需的空間小得多。一個電壓為2000V、輸出電流為1700A的B12C電池組的尺寸如圖所示。其中，兩個風冷裝置所需空間為0.4 m3（14 ft3）。基于晶閘管的設計無需使用泵、管道和散熱器對冷卻液進行冷卻，可以將安裝所需空間由6 m3（212 ft3）左右減少至1 m3（35 ft3）以下，從而節省了83%的安裝空間。

一個2.4MW的充電器可以在10分鐘內為長途CEV電池組輸送400kWh的電量。假設充電器在1小時內為3輛CEV充電10分鐘，那么每天可以為72輛CEV充電24小時。如果在一年之內每周都運行7天，該充電器可以為26000多輛汽車供電。

該充電器提供的總電量將超過1000萬kWh。一個效率為97%的充電器因發熱損耗的電量為30萬kWh。按照0.11美元/kWh的電費來計算，一個2.4MW的充電器因電量損耗造成的損失為33000美元。每安裝1000臺充電器，電量損耗所造成的損失將達3300萬美元。

一臺基于晶閘管拓撲的2.4MW充電器可實現99.7%的效率，而且可以將97%效率的充電器產生的電量損耗降低90%。?此外，充電器電力電子設備的較低冷卻需求進一步降低了能耗。?

在效率為97%的轉換器中，主動冷卻系統必須管理60kW的電量損耗。而冷散熱器和電泵在分解60kW的熱量時，很容易消耗掉20kW的電量。當散熱器、電泵與充電器運行相同時間，即超過4300小時時，就會額外消耗86000kWh的電量。每安裝1000個充電器，所產生的額外電力需求就會產生950萬美元的電費。

在發電時每節省1kWh的電量，就可以減少0.5kg的二氧化碳排放。因此，通過這一更有效的方法，每個充電器產生的二氧化碳排放量每年可以再減少190噸。

審核編輯：劉清