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解决新能源車快速充電站的兼容問題

現有充電基礎設施與汽車主電池（800V 或 400V）之間的不相容，是現時里程焦慮問題的主要來源。解决這一問題對於消費類電動汽車使用率的持續增長至關重要。幸運的是，我們有解決方案。

作者：Haris Muhedinovic，高級現場應用工程師

DC 快速充電是里程焦慮問題的主要來源

雖然我們正在見證自蒸汽機以來汽車工業的最大變革，但我們都對基礎設施感到擔憂，因為需要維持並深入福斯。電動汽車一直是汽車行業最受寵的一個分支，每天都有很多圍繞著這一領域的技術創新湧現。因為需要具有可持續性和群眾基礎，它將以最一致、最有效的方式支持電動汽車。工程師現在正在重新定義電動汽車的架構，他們正在考慮嵌入 800V 的電力系統，以實現更快速的充電和更輕的重量，並新增兩次充電間的行駛里程。

隨著 OEM 廠商推出採用 800V 電池供電的全新車型，汽車的電氣化革命不斷向前推進，這些電池不僅可實現更强大的動力系統及更高效能的汽車，而且還可加速充電。但 DC 快速充電存在不相容性問題。要為 800V 電動汽車快速充電，車主必須使用相容的充電站，而不是當前更普遍的 400V_DC充電站。 400V_DC 充電站不僅與這些新型電動汽車不相容，而且還在電流容量、電纜熱管理和電壓範圍方面有相當大的限制。

現有充電基礎設施與 800V 汽車之間的不相容，是當前里程焦慮問題的主要來源，如果 OEM 廠商要繼續推動汽車電氣化，就必須解决這個問題。幸運的是，有解決方案。雖然一種解決方案是擴大或改進現有充電站網路，但消除消費者里程顧慮最可靠的方法是讓車載充電器與所有 DC 快速充電站相容。

對於電動汽車而言，新增流向電池的功率只有兩種主要方式：新增電壓或電流。電流新增時，就需要增大電纜，因為需要更多的空間讓電子通過。新增電壓是一個非常不錯的解決方案，因為更低的電流通過電纜時，所需的電纜厚度縮小，讓整體的電阻較小，降低了電纜上的耗損。

除了石墨烯電池和固態電池外，800V 充電架構是電動汽車充電最振奮人心的發展。

DC 快速充電日益嚴峻的不相容問題

不相容問題主要集中在 DC 充電上，通常用於充電時間與時機都非常受限的長途駕駛。 AC 充電對於日常充電而言不是問題，因為現有電網基礎設施 AC 充電相當方便。對於擁有電動汽車的人來說，這種充電方式很容易實現，而且可以在對充電速度要求不高的家裡（夜間）或工作單位（白天）充電。 AC 充電是日常使用及短途駕駛的理想選擇，對於日常 300 公里的行程而言，這是成本最低而且最實用的解決方案。

但在人們長途旅行時，他們需要在公共場所快速充電，比如在高速公路的休息區。在這種情況下，他們可以使用 DC 快速充電站。這些充電站需要超過 50kW 的功率，峰值可達 150kW 或 350kW。雖然 DC 充電的使用頻率可能沒有 AC 充電那麼高，但提供一個這種類型的可靠網路來减少里程焦慮問題非常重要。到 2020 年，DC 充電網路將擁有大約 40 萬個可供公眾充電的快速充電器，其中很少有支持 800V 汽車的充電器。例如，歐洲總共有 4 萬個充電站，其中只有 400 個支持 800V 汽車。

當 OEM 廠商開始推出 800V 新款汽車時，這種 400V 和 800V 充電站之間的不平衡將帶來一個重大問題：為其充電的公共基礎設施不足。

為什麼 800V 更快？

800V 比 400V 更高效，因為功耗相同時，其能耗更低。它可减少電流；電流越低，導體中的電阻（能量）損耗就越低。讓 400V 電壓提高一倍，可顯著提升電動汽車的充電速度。

電動汽車採用 800V 架構，車輛更輕、線纜更細，接線器更小，而且可通過配寘電池，更高效地利用電源，因此，800V 可開啟更大行駛里程的全新時代。

今天的電動汽車要麼採用 400V 架構，要麼採用 800V 架構。400V 更常見，因為該技術更為成熟，但越來越多的汽車推出了 800V 多，比如起亞 EV6 和保時捷 Taycan 等。

在電動汽車架構中融入 800V 技術，將電壓提高一倍，可在不新增熱量、無需新線纜和新電子組件的情况下，實現更快速度的充電。800V 充電架構無需更粗的電纜，便可縮短充電時間，這不僅可減輕重量，而且還可縮小範圍。例如，保時捷 Taycan 在 5 分鐘多一點的時間內便可新增 62 英里的里程，而且從 5% 到 80% 的充電時間僅為 22.5 分鐘。

800V 能讓我們更快充電的原因是電池從充電器接收到的電力更多。在 400V 的系統中，由於電流很大，因此能量損耗會新增一倍。電流會在導體中產生電阻損耗（能量損耗），因此其效率低下，特別是在快速充電的時候。

DC 快速充電器產生的熱量會使 400V 架構的電池和充電電纜過熱，這就是為什麼充電速度在 80% 後會急劇下降的原因。

800V 通過改變內部電池單元的連接方式解决了這個問題，可使用更小的電流和更高的電壓。

毫無疑問，800V 非常出色，是對 400V 的一個巨大升級。然而，它需要全新的工程設計。

探索 DC 快速充電解決方案

一般來說，解决 DC 快速充電問題有兩種方法：一種側重於對充電站進行改造，而另一種則側重於改造車輛。

擴建充電站 DC 快速充電網路可緩解這個問題，但它可能既不是最快的，也不是最划算的。擴充 DC 快速充電網路有兩種途徑：

新增 800V 充電站：安裝具有寬範圍電壓（從 250 到 920V）的全新 DC 快速充電站是一個解決方案，但這需要投入大量的時間和資金。當前歐美大約有 1000 個提供 800V 充電的充電站，這大約只占所有已投入使用的 DC 充電站的 2%。為了應對 800V 電動汽車的增長，該網路需要新增成百上千個這類充電站。安裝這麼多新充電站將耗時數年，而且成本極高。
利用 400V 充電站：另一種方法是利用 400V 充電站，將其升級到也支持 800V 電壓的充電站，但這會帶來一系列自身的挑戰。以超高功率速率（超過 150kW）充電並非總是可用的，也並非總能實現（有溫度以及電池退化等問題）。此外，充電速度也會比 800V 的預期要慢。

使用模組化 DC-DC 虛擬電池進行車載充電，可提供高靈活性以及高達 99.5% 的效率。

與擴充充電網路相比，車載轉換解決方案是一種實現 400V 或 800V 相容的更全面方案。這種方案可以更快採用，無需對充電基礎設施投入資金。

800V 電池和 400V 充電器之間的不相容問題可通過“電池虛擬化”解决。通過電池虛擬化，即使 800V 電池與車載充電器一端相連，該充電器也可在其另一端“發現”400V 電池。這種方案從電池電壓開始，使其適應充電站可接受的電壓範圍。（圖 1）

圖 1:800V 電池和 400V 充電器之間的不相容問題可通過車載“電池虛擬化”解决。通過電池虛擬化，即使 800V 電池與車載充電器一端相連，該充電器也可在其另一端發現 400V 電池。這種方方案從電池電壓開始，使其適應充電站可接受的電壓範圍。

Vicor 高密度、高功率模組可用於實現支持電池虛擬化的 DC-DC 轉換器車載充電解決方案，不會新增尺寸、重量和設計複雜性。

Vicor NBM™ 雙向模組可轉換數十千瓦的功率，功率密度可達 550kW/L和 130kW/kg，使用的電源轉換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少減少少 50%。

圖 2:Vicor NBM™ 雙向模組可轉換數十千瓦的功率，功率密度可達 550kW/L 和 130kW/kg，使用的電源轉換器尺寸和重量也都比分立式解決方案至少少 50%。將電池連接至 NBM 模組的一側，將立即虛擬化另一側的電池，從而可按常數因數成倍新增或遞減電壓或電流。

使用電源模組的另一個原因

NBM 不僅能實現電池充電虛擬化，而且還能與動力電池集成，為低轉速驅動提供更高的效率。例如，市區駕駛需要較低的轉速，800V 牽引逆變器的效率會大幅下降 15% 以上。NBM 能够通過這種輔助方式為逆變器提供一半的電池電壓，從而可將開關損耗銳減一半，新增行駛里程。這是集成型模組化供電方案如何優化供電網路的另一項優勢，可實現部分利用 DC-DC 轉換器以保持峰值效率。

使用車載升壓轉換，可在啟動前消除里程焦慮問題

雖然充電站基礎設施肯定會擴大以滿足電動汽車的增長需求，但僅靠擴建並不能解决 400V/800V 的相容性問題减少里程焦慮最有效的解決方案是設計與所有 DC 快速充電器相容的車載充電器。

本文最初由《eletimes》發表。

Haris Muhedinovic 與 OEM 廠商和 TIER 合作，為要求苛刻的汽車應用設計開發高性能電源解決方案。Haris 非常關註電源電子與電子系統，對工業新技術和新趨勢了如指掌，因此他實施的電源解決方案可滿足苛刻的規格要求。Haris 畢業於薩拉熱窩大學，獲理工科碩士學位，在電源電子設計與應用工程方面擁有長達 7 年的豐富經驗。