电动车充电基础设施与技术概述

逍遥设计自动化

引言
电动车因其零尾气排放和环保特性正在改变现代交通方式。到2020年，全球电动车数量达到约850万辆，预计到2040年将增长58%。政府激励措施和电池成本的下降推动了这一发展，电池组成本已从每千瓦时1200美元降至150美元，预计到2030年将进一步降至70美元。
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图1展示了纯电动汽车的基本架构，显示了从电网供电经过各种转换阶段到牵引电机和辅助负载的功率流程。

充电系统分类
电动汽车充电系统根据功率传输方式分为三大类。车载充电器（OBC）集成在车辆内部，包括专用和集成型两种。非车载充电器作为外部充电站具有更高的功率能力。半车载充电器将组件分布在车辆和地面基础设施之间，常用于无线充电应用。

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图2展示了电动汽车充电系统的完整分类，详细说明了车载、非车载和半车载充电技术之间的关系。

供电设备与通信
  V8 P, F. x7 P/ S充电接口需要配备具有内置安全和通信功能的复杂供电设备。
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3 q4 t2 z* p6 m$ n5 @  c0 P图3显示了EVSE线路配置，包括用于安全充电操作和系统通信的控制导频（CP）和临近导频（PP）线。

# W+ X% X& `9 Q8 N4 l5 p# B功率转换架构
4 X6 g6 J6 `; O# V现代车载充电器采用先进的电力电子技术实现高效能量转换。两级配置较为常见，包括功率因数校正（PFC）和DC-DC转换阶段。

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, Y$ h8 p- X3 h( u5 B9 \图4展示了Delta-Q OBC线路配置，说明交错升压变换器和移相全桥变换器各阶段。
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完整系统包含两个功率阶段的复杂控制机制。

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图5展示了传统升压PFC车载充电器的完整架构，包括功率元件和控制系统。
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控制系统实现
; J/ e$ B7 u) x  [# M: [5 Z" F控制架构采用双环结构，精确调节充电参数。

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9 `6 ]9 b; G* ?& y图6显示了升压PFC变换器(a)和隔离DC-DC变换器(b)的控制线路架构，说明双环控制结构。

对于交错设计，多个控制环路协同工作。

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- \! W' h" P$ s8 D6 e; V1 K5 p图7展示了具有双电流控制环路的交错升压PFC变换器控制器架构。

; l9 d* ]! G) z" h' y& e8 T  g, q) W系统响应特性通过精心的控制器设计得到优化。

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图8显示PFC变换器传递函数的伯德图：(a)无控制器的电流环，(b)无控制器的电压环，(c)有控制器的电流环，(d)有控制器的电压环。

3 `  M3 _  h4 O& C0 e8 Z性能分析
$ i+ E" ?4 |0 d现代充电系统在各种工作条件下表现出稳定性能。高输入电压下的系统行为显示出优秀的调节能力。

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# G- F8 X2 j, o3 }% e3 Y2 X图9展示了264V输入时一级升压PFC车载充电器的响应，显示输入电流、DC链路电压和输出特性。

低电压运行保持稳定的性能特征。
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图10展示了85V输入时一级升压PFC车载充电器的响应，显示在较低输入电压下的稳定性能。
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( I* {  J/ Y6 x3 q6 Z& O比较分析揭示了不同拓扑方法的优势。
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图11显示了升压PFC和交错升压PFC车载充电器的比较分析：(a)输入功率因数，(b)输入电流总谐波失真，(c)输入纹波电流，(d)电池端输出电压纹波。
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/ ~) W: w1 v1 r标准和协议
国际标准规范电动汽车充电实施。SAE J1772定义了多个充电等级：

AC Level 1在120V下运行，功率达1.44kW

AC Level 2在208-240V下运行，功率达14.4kW

DC充电等级支持200-600V运行，功率输出可达240kW
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CHAdeMO标准经过多个版本演进，从1.0版本的50kW能力发展到3.0版本的900kW。联合充电系统（CCS）提供350kW充电能力，区域变体包括北美和韩国使用的CCS-1，以及欧洲和澳大利亚市场使用的CCS-2。

% \) U; Y- r1 y, P; o技术规格
* ~! {* w- a! m8 i) J: ?! O8 X商用车载充电器系统通常实现85-264V AC的通用输入电压兼容性。输出功率范围从3.3kW到22kW，DC输出电压从200-650V。这些系统保持90%以上的峰值效率，同时提供精确的充电控制和保护功能。

PFC阶段维持单位功率因数运行，同时最小化输入电流失真。DC链路电压调节确保中间母线电压稳定，具有最小纹波。隔离DC-DC阶段提供电气隔离和精确的电池充电电压控制。

8 m/ Z& X: x8 s现代车载充电器实现：

功率因数超过0.99

输入电流总谐波失真低于5%

输出电压纹波低于2%

系统效率达到90-95%
未来发展
电动汽车充电技术通过电力电子和控制系统的进步持续发展。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体器件实现更高的开关频率和改进的效率。这些发展配合复杂的控制算法，增强充电系统性能，同时减小尺寸、重量和成本。
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( Q$ |7 B  [# e研究工作继续在无线充电技术、超快充电系统和双向功率流能力等领域展开。这些进步将支持电动汽车日益增长的需求，同时保持高标准的安全性和效率。国际标准的持续发展确保不同地区和车辆平台之间的互操作性和一致性能。
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' m  L; v0 F% V3 {高效充电基础设施的成功部署对电动汽车的广泛采用至为必要。电力电子、控制系统和充电协议的持续创新将推动充电速度、效率和用户便利性的改进，支持全球向电动出行的转变。

参考文献
[1] D. Kishan, R. Kannan, B. D. Reddy, and P. Prabhakaran, Eds., Power Electronics for Electric Vehicles and Energy Storage. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2023.
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