随着重型或商用车辆的电气化，为比电动乘用车更大的电池充电变得必要。由于时间就是金钱，特别是在物流领域，分配空闲时间进行充电或增加充电功率是首选方案。这导致了三种不同的充电方案。
用例一：车队运营和停车场充电电池的现代技术和尖端的功率半导体解决方案允许设计高效的基础设施。图1描述了公交车队的停车场充电的现代版本。
图1.配备充电基础设施的现代公交停车场
停车场充电是当地车队运营的首选方案，尤其是公共汽车和任何类型的送货车辆。它们在相当固定的路线上运行，并在夜间闲置数小时。
这伴随着对充电电源的需求减少以及能源管理方面的更多选择。包括固定电池，将公共汽车的充电时间与能量过剩的时间脱钩成为一种选择。
当今常见的电池电动巴士的电池容量在到kWh之间，使它们能够在不充电的情况下运行一班。停车场的充电机只需为一辆车充电一夜。即使在6小时内充电80%的kWh的情况下，70kW的功率也足够了。当然，对于整个停车场来说，这要乘以同时要充电的车辆数量。
充电机的典型原理图包括一个可以适应直流母线电压的输入级、一个电气隔离级和一个输出整流器，如图2所示。
图2.双向充电器原理图和推荐元件
充电机通常采用模块化方法从子系统中构建，这些子系统可以堆叠在一起以增加输出功率。常见设计每个子系统的功率为15-60kW，元件的选择因输出功率要求和冷却偏好而异。虽然在10到15kW范围内强制风冷的装置广泛采用分立器件制造，但功率水平较高的装置使用液体冷却，并且大多由电源模块构成。
并联装置是增加输出功率的一种选择。该技术也可用于形成冗余。这样，在单个模块发生故障时，系统可以在较低的功率下运行，而不会丢失整个系统。
停车场充电也为二级电网服务打开了大门。固定储能有助于减少电网的负荷，在高能源需求时甚至可以支持电网。负载平衡和定时充电也成为一种选择。充电时间可以与晚间能源过剩的时间段相匹配，在此期间相应的能源价格较低，甚至为负。
在有固定时间表的车队中，并非所有车辆都必须同时充满电。即使在车辆之间共享能量也是可能的，那些未计划投入使用的车辆也可以贡献其存储的能量。从整体上看，作为较大工业区的仓库也可以成为太阳能发电站。
用例二：机会充电沿着预先确定的路线运营车队，可以通过更频繁地添加少量能量来扩展行驶里程。这就是所谓的机会充电，如果它以完全自动化的方式进行，效果最好。
对于这种充电方式，我们推荐了两种解决方案。
受电弓是一种机械系统，允许大型电触点移动更远的距离并安全地接触它们的对应物。受电弓是一种经过验证的可靠技术，广泛用于有轨电车和铁路应用。根据安装位置，受电弓可以分为自上而下和自下而上的系统。自下而上的系统安装在车辆上并与车站联系，而自上而下的机装置是车站的一部分，向下下降到车辆上。图3给出了如何设置受电弓充电的示例。
基础设施的建设仍然局限于路边。因此，如果当地有合适的电源，可以建造这样的设施作为对现有站点的升级。由于这种情况很少见，因此通过电池存储对充电站进行缓冲是一种广受欢迎的解决方案，可将车辆的大功率充电与固定电池的充电分离。其通常应用-kW的功率水平。
图3.用于机会充电的自上而下受电弓
在充电过程开始之前，充电站和车辆的电池管理系统之间的充电电压和电流是一致的。由于涉及大功率，通过受电弓充电始终是直接接入车辆电池的直流充电。
对于未来的安装，受电弓被认为是推荐的解决方案，特别是对于自动驾驶汽车，因为不涉及需要精确处理的插头或电线。该系统可以轻松处理不同高度的车辆，并且可以在构造上允许车站和车辆之间的错位。
无线电力传输(WPT)在智能手机等移动设备中也很流行，可以升级功率以满足大规模能量传输的需求。SAEJ中详细描述了车辆规模系统的无线电力传输。无线充电系统本质上由两个独立的部分组成，它们通过磁通量交换能量。为了避免过多牺牲传输效率，SAEJ设定了传输效率至少达到80%的目标。为了满足这一要求，可以使用如图4所示的串联补偿谐振电路，工作在80-kHz的频率范围内。
需要考虑多种输入整流器拓扑，包括作为成本优化解决方案的静态二极管整流器或基于晶闸管的版本。Vienna整流器是一种常见的解决方案，其EMI性能出色、减少了滤波所需的工作量以及可调节的直流母线电压。根据标准要求，需要使用80至kHz的高开关频率来驱动发送线圈，可以考虑将具有低开关损耗的IGBT或碳化硅MOSFET用于DC-DC转换级。
感应充电机需要安装在车辆可以经过的地方。与受电弓相比，这对基础设施的影响更为严重，尤其是在公共交通方面。因此，感应充电主要适用于半公共区域。例如，机场的行李手推车可以受益于无线电力传输，因为功率水平、所涉及的能量和地形条件适合使用情况。
图4.串联补偿的谐振WPT设置
用例三：个人长途运营像长途物流一样，在随机路线上行驶需要单独的大功率充电，类似于今天的加油站。这种大功率充电需要成为现有基础设施的一部分，以便将电动卡车无缝集成到移动领域。
使用高达1V的直流电压和高达A的最大充电电流，以超过2MW的速率充电成为可能。
在2MW充电时，可以在大约15分钟内提供kWh的电量，再行驶km，这完全可以满足驾驶员为遵守法律要求而必须做的休息时间。然而，高达V的城市低压三相电网不支持这种功率水平。
在这种情况下，需要将由中压系统供电的本地电源作为先决条件。尽管通过固定电池进行缓冲是一种潜在的选择，但存储容量将变得相对较大。
必须从中压变压器开始工作，这为兆瓦级充电机带来了一个有希望的选择。与其扩大用于为乘用车充电的结构，不如遵循电解中使用的成熟方案。图5描述了相关的大功率设置。
图5.采用B12C的大功率充电拓扑，也称为B6C-2P
这种方法仅具有单级能量转换，将电气隔离级从较小的单个转换器替换为中压变压器，可将功率转换级的效率提高到99%以上。同时，它最大限度地减少了每千瓦安装的数量，并且由presspack元件构建的组件减少了空间需求。
当进入兆瓦级时，基于晶闸管的解决方案将卓越的效率与压装器件前所未有的寿命和可靠性结合在一起。
这种基础设施系统需要大量的运行周期，并对服务时间提出了特别的期望。两者都需要在设计阶段的早期阶段加以考虑。尽管拓扑和技术可能看起来已经过时，但更高的效率以及更低的成本和更少的空间要求使其成为显而易见的选择。当未来的自动驾驶商用车需要更高的额定功率以进一步减少充电时间时，这一点将尤其重要，因为司机不需要休闲休息。
作者：MartinSchulz，来源：Littelfuse
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