復雜、昂貴的充電基礎設施限制了電動(dòng)汽車(chē)的采用

如果說(shuō)我們現在能做一件事來(lái)加速向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡，那就是：建立強大的公共電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施。雖然媒體一直關(guān)注車(chē)輛的性能和續航里程，但消費者一直很清楚，他們希望電動(dòng)汽車(chē)基本上可以完成舊車(chē)所做的一切，包括長(cháng)途過(guò)夜旅行。

對于那些還沒(méi)有電動(dòng)汽車(chē)的人來(lái)說(shuō)，強大的基礎設施似乎并不重要。畢竟，研究表明，在發(fā)達市場(chǎng)，多達 90% 的充電發(fā)生在家庭中。然而，事實(shí)證明，剩余的充電百分比至關(guān)重要。送貨卡車(chē)和出租車(chē)的司機、公寓樓的居民、上大學(xué)路上的學(xué)生、度假的家庭以及無(wú)數其他人都了解到，在公共充電稀缺或不可靠的情況下，駕駛電動(dòng)汽車(chē)可能是一項艱巨的任務(wù)。例如，福布斯 2022 年的一項調查表明，62% 的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主對電動(dòng)汽車(chē)續航里程非常焦慮，以至于他們有時(shí)會(huì )縮減旅行計劃。

這對政策制定者來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是什么秘密了。國際能源署最近的一份簡(jiǎn)報表明，在中國，投資充電基礎設施對電動(dòng)汽車(chē)成功的影響是向電動(dòng)汽車(chē)購買(mǎi)者提供補貼的四倍。

這些都是我們幾十年來(lái)一直在努力解決的問(wèn)題。早在 1992 年，我們與他人共同創(chuàng )立了 AC Propulsion，該公司提供 tZero，這是一款高性能電動(dòng)跑車(chē)，其基本技術(shù)和設計后來(lái)被整合到最初的特斯拉 Roadster 中。從那以后的幾年里，我們思考了很多關(guān)于如何制造人們真正想要擁有和駕駛的車(chē)輛。

當我們詢(xún)問(wèn)潛在的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主是什么限制了電動(dòng)汽車(chē)的采用時(shí)，他們通常會(huì )指出充電站的使用受到限制，尤其是快速公共充電。擁有這些充電站的運營(yíng)商也這么說(shuō)，他們還提到了高昂的設備成本——一個(gè)帶有四個(gè)端口的直流快速充電站的成本可能在 470,000 美元到 725,000 美元之間。他們說(shuō)，如果設備成本更低，他們會(huì )安裝更多的充電站。這可能是一個(gè)良性循環(huán)：充電業(yè)務(wù)會(huì )做得更好，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主會(huì )受益，更多的人會(huì )考慮購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)。

問(wèn)題是，電動(dòng)汽車(chē)充電能否更經(jīng)濟、更高效地進(jìn)行？更具體地說(shuō)，有沒(méi)有辦法降低充電站的復雜性并降低快速充電站的高成本，從而在不犧牲安全性的情況下顯著(zhù)提高電動(dòng)汽車(chē)的普及率？

答案是肯定的，原因如下。

電動(dòng)汽車(chē)充電的工作原理

在解釋我們的解決方案之前，讓我們回顧一下一些基礎知識，從最基本的開(kāi)始。充電站是具有一個(gè)或多個(gè)充電端口的物理位置，每個(gè)端口可以為單個(gè) EV 充電。每個(gè)端口可能具有多種類(lèi)型的服務(wù)連接器，以支持不同的 EV 標準。

該端口的功能是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為直流電，然后施加到電池中。必須控制充電電流，以便始終滿(mǎn)足以下標準：電池單元的電壓不得超過(guò)臨界限值;電池溫度不得超過(guò)預設閾值;并且從電力公司汲取的電流必須保持在一定值以下。如果不滿(mǎn)足前兩個(gè)條件，電池可能會(huì )損壞或著(zhù)火。如果不滿(mǎn)足第三個(gè)條件，充電器或實(shí)用程序可能會(huì )過(guò)載，從而導致斷路器跳閘或保險絲熔斷。

現有 EV 充電器的一個(gè)關(guān)鍵安全功能是 [藍綠色] 的隔離鏈路。在該電路中，高頻變壓器在電網(wǎng)電源和電動(dòng)汽車(chē)電池之間提供物理隔離。隔離鏈路位于車(chē)輛的車(chē)載充電器內，用于 2 級充電（頂部）。對于 3 級或快速充電，鏈路位于充電站內（底部）?？死锼埂し茽柌ㄌ?/p>

除了這些要求外，充電器還必須保護用戶(hù)免受電擊。這并不總是那么容易。充電器在惡劣的環(huán)境中運行，通常是戶(hù)外，濕度水平差異很大，并且可能存在受污染的水。設備也可能損壞甚至被破壞。

久經(jīng)考驗的防止觸電的方法是使用電氣接地。接地正如它聽(tīng)起來(lái)的樣子：與大地的直接物理連接，為電流提供路徑。當存在這樣的路徑時(shí)，雜散電流（例如在機箱中）會(huì )直接流向地面，避開(kāi)可能站在附近的任何人。在充電的電動(dòng)汽車(chē)中，充電電纜中的綠色地線(xiàn)成為接地路徑。（因為電動(dòng)汽車(chē)有橡膠輪胎，所以汽車(chē)本身不能作為路徑。

如果不存在這樣的路徑，會(huì )發(fā)生什么情況？如果電動(dòng)汽車(chē)充電器的接地連接斷開(kāi)或受損，充電接口必須有備用解決方案。今天，這種解決方案被稱(chēng)為電流隔離。在電流隔離中，電氣系統的某些部分之間不允許有直接的導電路徑。

 如果 EV 充電器沒(méi)有隔離鏈路，并且接地電路斷開(kāi)，并且電池和車(chē)身之間存在電流路徑，則觸摸車(chē)輛的人可能會(huì )受到可能致命的電擊 [上圖]。然而，使用 Wally Rippel 設計的簡(jiǎn)單且廉價(jià)的“雙接地”電路 [下圖，藍綠色]，檢測器電路在閉合使電流流動(dòng)的接觸器之前確認接地完好無(wú)損?？死锼埂し茽柌ㄌ?/p>

充電器電流隔離的硬件稱(chēng)為隔離鏈路，它的工作原理是將兩個(gè)電路物理和電氣分離，因此電位差不會(huì )導致電流從一個(gè)電路流向另一個(gè)電路。在電動(dòng)汽車(chē)充電的情況下，這兩個(gè)電路一方面是電網(wǎng)，另一方面是車(chē)輛電池及其相關(guān)電路。

這種隔離可以成為名副其實(shí)的救命稻草。假設電動(dòng)汽車(chē)的電池漏液。泄漏的液體是導電的，因此可以在電池電路和車(chē)輛底盤(pán)之間產(chǎn)生電流路徑。如果接地電路恰好斷開(kāi)，那么，如果沒(méi)有隔離，車(chē)輛的底盤(pán)將處于高電壓。因此，站在地上觸摸汽車(chē)的人可能會(huì )受到可能致命的電擊（參見(jiàn)插圖“電擊危險”）。使用隔離后，不會(huì )有電擊危險，因為不存在從電力公司到車(chē)身的電流路徑。

只有一個(gè)組件可以在傳輸千瓦級功率的同時(shí)在兩個(gè)電路之間提供分離，即變壓器。直接連接到低頻市電的變壓器又重又笨重。但對于重量和尺寸至關(guān)重要的電動(dòng)汽車(chē)充電，變壓器要小得多——它們甚至不到標準積木的一半大小。這是因為充電站使用逆變器將直流電轉換為高頻交流電。然后將高頻交流電施加到小型變壓器上，從而提供電流隔離。最后，變壓器的輸出通過(guò)高頻整流電路變回直流，完成該過(guò)程（如“隔離鏈接...”所示。插圖）。

我們將在下一節中詳細介紹這種電源轉換，但這可以讓您了解當今如何安全地進(jìn)行充電，無(wú)論是在公共充電器還是在家庭車(chē)庫中通過(guò)汽車(chē)的車(chē)載充電器。

電流隔離成本很高

幾乎每輛電動(dòng)汽車(chē)都有一個(gè)車(chē)載充電器 （OBC），當車(chē)輛在家中充電時(shí)，它可以執行 AC-DC 轉換功能，就像公共快速充電器一樣。顧名思義，OBC 駐留在車(chē)輛中。它能夠為電池提供約 5 至 22 千瓦的功率水平，具體取決于車(chē)輛品牌和型號。與快速充電相比，這種充電率較低，通常僅適用于公共充電器，公共充電器的功率從 50 kW 開(kāi)始，最高可達 350 kW。

如今，所有充電器（車(chē)載和車(chē)載）都進(jìn)行了電氣隔離。電流隔離集成到電源轉換硬件中，無(wú)論是在汽車(chē)中還是在公共充電器中。

公共充電站中的單個(gè) 300 kW 端口包括約 90,000 美元的電力電子設備，其中約 54,000 美元用于隔離鏈路。

EV 充電器的硬件基本上是為您的智能手機或筆記本電腦充電的開(kāi)關(guān)電源的更大、更高功率版本。早些時(shí)候，我們給出了 EV 中功率轉換工作原理的基本概念，但實(shí)際上它比這更復雜一些。對于 EV，功率轉換分四個(gè)階段進(jìn)行（插圖，“電擊危險”）。在第一階段，交流電（單相或三相）通過(guò)有源整流器轉換為直流電。在第二階段，來(lái)自第一級的直流電通過(guò)稱(chēng)為逆變器的電路轉換為高頻交流方波（想想經(jīng)典的正弦波，但采用方形而不是蜿蜒的形狀）。這種高頻的原因是，在第三級，變壓器將交流電轉換為不同的電壓，而高頻使該變壓器比較低頻率（如電網(wǎng)）的變壓器更小、更輕。最后，在第四階段，高頻整流器將高頻交流電轉換回直流電，然后將其發(fā)送到車(chē)輛的電池。第二級、第三級和第四級共同構成隔離鏈路，提供電流隔離（參見(jiàn)圖示“隔離鏈路將市電與 EV 電池分開(kāi)”）。

這種隔離鏈路非常昂貴。它約占典型電動(dòng)汽車(chē)電力電子設備成本的 60%，也占充電器功率損耗的 50% 左右。我們估計，物料清單和電流隔離充電端口的組裝成本約為每千瓦 300 美元。因此，公共充電站中的單個(gè) 300 kW 端口包括約 90,000 美元的電力電子設備，其中約 54,000 美元用于隔離鏈路。

算一算：一個(gè)具有四個(gè)端口的充電站包括大約 360,000 美元的電力電子設備，其中超過(guò) 200,000 美元用于電流隔離。要了解一個(gè)國家/地區（例如美國）的總成本，請將每個(gè)充電器的電力電子設備成本降低 60% 乘以美國 61,000 多個(gè)公共電動(dòng)汽車(chē)充電站的多個(gè)端口。

對于電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器，隔離鏈路不僅增加了成本，而且增加了體積。充電能力越高，隔離系統的成本和尺寸就越大。這就是為什么您永遠無(wú)法使用 OBC 進(jìn)行快速充電的原因——成本和尺寸都太大，無(wú)法將其包含在車(chē)內。

這些都是我們建議取消電流隔離的主要原因之一?？梢怨澥凳畠|美元的資本和能源費用。硬件可靠性會(huì )提高，因為充電器將使用大約一半的組件。消除電流隔離（即消除充電器硬件的第二、第三和第四階段）也將大大減小車(chē)載充電器的尺寸，并使它們能夠處理快速充電，也稱(chēng)為 3 級電源。這是最高的充電水平，提供 100 kW 或更高的直流電流。

特斯拉汽車(chē)公司于 2006 年在圣莫尼卡推出了其電動(dòng) Roadster。Glenn Koenig/洛杉磯時(shí)報/Getty Images

消除隔離鏈路后，我們就可以采取下一步行動(dòng)：讓車(chē)輛的車(chē)載逆變器為電機供電以進(jìn)行驅動(dòng)，也為電池充電提供電力。通過(guò)讓汽車(chē)的逆變器發(fā)揮雙重作用，我們將再次將剩余成本降低一半。

這些都不是什么新想法。2008 年上市的初代特斯拉 Roadster 以及 AC Propulsion 制造的所有產(chǎn)品都成功使用了非電流隔離的集成充電，其中充電功能由逆變器執行。在這些交流推進(jìn)車(chē)輛中，標稱(chēng)電池電壓約為 400 伏直流電，就像當今大多數電動(dòng)汽車(chē)一樣。

可以消除電流隔離嗎？

消除隔離鏈路的要求并不是非常復雜或昂貴。特別需要解決兩個(gè)問(wèn)題：觸電風(fēng)險以及市電和電池電壓之間的兼容性。

首先，讓我們看看電擊危險。如果同時(shí)存在三種情況，則可能會(huì )發(fā)生觸電：車(chē)輛未接地，未接地的車(chē)輛通電，并且已形成電流泄漏路徑（參見(jiàn)圖示“電擊危險”）。例如，如果電池的電解液開(kāi)始泄漏，在電池和車(chē)身之間形成一條路徑，則可能會(huì )形成泄漏路徑。由于所有 EV 充電系統都包含接地連接，因此只有當接地連接斷開(kāi)或受損時(shí)，泄漏路徑才是一個(gè)問(wèn)題。

所有充電系統，無(wú)論是車(chē)載還是車(chē)載，都包含稱(chēng)為安全接觸器的組件，只有在進(jìn)行各種電子檢查后，才能為電池供電。這些檢查包括接地驗證，用于測試接地連接是否完好無(wú)損。如果接地連接缺失或故障，則不會(huì )為電池充電。

電動(dòng)汽車(chē)充電：1、2 和 3 級

LEVEL 1 充電使用標準的單相 115 伏交流電作為充電器輸入。因此，充電率限制為小于 2 kW。為了給 100 kWh 的電池充滿(mǎn)電，總充電時(shí)間約為 80 小時(shí)。

LEVEL 2 充電器是大多數電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主現在車(chē)庫中的充電器。在美國，2 級使用單相 208 或 240 V AC 作為充電器輸入;在歐洲，輸入功率為 380 V AC，三相。最大充電速率受公用事業(yè)服務(wù)或車(chē)載充電器的額定電流限制。在 6 kW 時(shí)，過(guò)夜充電通?？梢栽黾?200 英里的續航里程。

LEVEL 3，也稱(chēng)為快速充電或直流充電，使用非車(chē)載充電器將三相市電轉換為穩壓直流電，以直接應用于車(chē)輛電池，繞過(guò)車(chē)載充電器（見(jiàn)圖 3）。最大充電速率通常從 50 kW 開(kāi)始，現在擴展到約 360 kW。充電器正在開(kāi)發(fā)中，將支持高達 600 kW 的功率，這意味著(zhù)每分鐘充電可增加約 30 英里的駕駛電量。

對于 2 級充電（例如在家庭車(chē)庫中），安全接觸器位于稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)供電設備的模塊中。EVSE 通常有一個(gè)大鞋盒的大小，可以安裝在墻壁或柱子上。在公共快速充電的情況下，安全接觸器是硬件不可或缺的一部分。

這意味著(zhù)移除電流隔離不會(huì )造成電擊危險。如果車(chē)輛接地并且泄漏導致車(chē)輛底盤(pán)處于高電壓，則由此產(chǎn)生的對地電流浪涌將立即使充電器中的斷路器跳閘。

那么問(wèn)題就變成了：接地驗證是否可以相信是絕對的故障安全？換句話(huà)說(shuō)，我們能否保證在接地電路斷開(kāi)或受損時(shí)永遠不會(huì )通電——即使接地驗證電路內的組件出現故障？從道德和法律的角度來(lái)看，這種絕對保證是必要的。去除現有的安全系數（例如電流隔離）是不可接受的，除非它被提供凈安全增益的東西所取代。

我們可以做到這一點(diǎn)。所需要的只是對充電器電路進(jìn)行相對簡(jiǎn)單的修改。

這種安全級別可以通過(guò)雙接地結合接地連續性檢測來(lái)提供（參見(jiàn)圖示“'雙接地'電路防止沖擊”）。這種雙接地方法基于（您猜對了）兩根接地線(xiàn)。使用這種方案，如果一根地線(xiàn)被切斷，另一根地線(xiàn)確保車(chē)輛仍然接地。為了進(jìn)一步提高安全性，即使一根接地線(xiàn)仍然完好無(wú)損，也會(huì )檢測到破損的接地并關(guān)閉電源。

檢測接地線(xiàn)連續性既不昂貴也不復雜。我們中的一個(gè)人 （Rippel） 大約在一年前開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型檢測電路。該系統使用兩個(gè)小型變壓器，一個(gè)將信號注入其中一根地線(xiàn)，另一根用于檢測第二根地線(xiàn)中的信號。如果第二個(gè)變壓器未檢測到信號，則接觸器（例如 EVSE 中的接觸器）會(huì )打開(kāi)，因此無(wú)法通電。使用此電路，整個(gè)系統在一個(gè)或多個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)保持故障安全。

從字面上看，這種安排使充電加倍安全。此外，由于兩個(gè)接地電路相互獨立，因此沒(méi)有一個(gè)故障會(huì )導致兩個(gè)接地都失效。這降低了接地故障的概率：如果單個(gè)接地故障的概率為 P，則兩個(gè)接地故障的概率為 P2。通過(guò)添加一個(gè)電路，感應到兩個(gè)接地形成一個(gè)完整的電路，安全性得到了進(jìn)一步提高;一旦兩個(gè)接地中的一個(gè)損壞或斷開(kāi)，電源就會(huì )關(guān)閉。

如果我們要擺脫電流隔離，消除觸電風(fēng)險并不是我們必須處理的唯一問(wèn)題。此外，還存在電壓?jiǎn)?wèn)題，具體來(lái)說(shuō)，需要防止公用事業(yè)公司的交流線(xiàn)路電壓與 EV 電池的交流線(xiàn)路電壓不匹配。

電壓不匹配在一種情況下會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題 — 當輸入市電電壓超過(guò)電池電壓時(shí)。如果發(fā)生這種情況，即使是瞬間，不受控制的電流也會(huì )流入電池，可能會(huì )損壞電池或導致斷路器跳閘。

這個(gè)問(wèn)題的解決方案是一種稱(chēng)為 buck regulator （或 buck converter） 的器件。降壓穩壓器在功能上類(lèi)似于降壓變壓器，不同之處在于它處理直流電流而不是交流電。如果市電的交流電壓超過(guò)電池電壓，降壓穩壓器會(huì )像變壓器一樣工作并將其降壓。與相同額定功率的隔離鏈路相比，降壓穩壓器的成本低于 10%，功率損耗低于 20%。

公共電動(dòng)汽車(chē)充電的未來(lái)

在這一點(diǎn)上，我們希望您理解為什么現有的車(chē)載和公共電動(dòng)汽車(chē)充電四階段計劃不必要地復雜且昂貴。四個(gè)階段中的三個(gè)可以完全消除。這將留下一個(gè)有源整流器級，必要時(shí)，后面是一個(gè)低成本的降壓穩壓器。為了將安全性提高到與現有電動(dòng)汽車(chē)充電設備一樣高的水平，我們將增加一個(gè)具有接地連續性檢測的雙接地。我們將這種改進(jìn)的方法稱(chēng)為直接功率轉換。

使用 DPC 方法可以將設備成本降低一半以上，同時(shí)將能源效率提高 2% 到 3%。這正是我們在電動(dòng)汽車(chē)革命的這個(gè)階段所需要的，因為它將使運營(yíng)商更能負擔得起電動(dòng)汽車(chē)充電站，并在短短幾年內建造數千個(gè)這樣的充電站，而不是十年或更長(cháng)時(shí)間。它還將使電動(dòng)汽車(chē)對那些因為充電基礎設施的薄弱狀態(tài)而拒絕購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的人更具吸引力。

現在是時(shí)候簡(jiǎn)化 EV 充電過(guò)程并使其更具成本效益了。但是，如果沒(méi)有技術(shù)社區對電流隔離的討論，這肯定不會(huì )發(fā)生。所以讓我們開(kāi)始討論吧！我們相信，消除隔離鏈路應該是邁向 EV 轉型迫切需要的強大充電基礎設施的第一步。