固态变压器设计解锁更快的电动汽车充电速度
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电动汽车快速充电站的快速建设 正在考验当今电网的极限。由于单个充电器的电量为 350 至 500 千瓦（或更多），这使得电动汽车的充电时间现在在功能上相当于汽油或柴油汽车的加满时间，满充电站可以达到兆瓦级的需求。这足以给中压配电网带来压力，中压配电网是连接高压输电线路和为家庭和企业最终用户提供服务的低压线路的电网部分。
直流快速充电站往往集中在城市中心、高速公路沿线和车队仓库中。由于负载在整个网络中分布不均匀，因此特定的变电站会过度工作，即使总电网容量额定可以容纳负载。 随着越来越多的充电站、电力需求更大的上线，克服这个问题需要电力电子设备不仅紧凑高效，而且能够管理本地存储和可再生能源输入。
电动汽车充电中的固态变压器
固态变压器 （SST） 是实现电网现代化以满足汽车电气化和可再生能源发电需求的最有前途的技术之一。SST 执行与传统变压器相同的基本功能——升压或降压。但它使用半导体、碳化硅或氮化镓开关的高频转换以及数字控制来实现这一点，而不是单独使用无源磁耦合。SST 的设置使其能够动态控制潮流。
几十年来，充电基础设施一直依赖线频变压器 （LFT），即电动汽车电池所需的交流电到直流电的外部转换之前或之后，将中压交流电降压到低压交流电的大型铁和铜组件。一个典型的 LFT 可以包含多达几百公斤的铜绕组和几吨铁。所有这些金属都成本高昂，而且越来越难以采购。这些系统可靠，但体积庞大且效率低下，尤其是当能量在本地存储和车辆之间流动时。SST 比它们设计要取代的 LFT 更小、更轻。
“我们的解决方案实现了与单端口转换器相同的半导体器件数量，同时提供多个独立控制的直流输出。”–Shashidhar Mathapati，台达电子
但迄今为止开发的大多数多端口 SST 都过于复杂或成本高昂（是 LFT 前期成本的 5 到 10 倍）。这种差异，加上 SST 对辅助电池组的依赖，这增加了更多费用并降低了可靠性，解释了为什么固态的明显优势尚未激励人们从 LFT 转向该技术。
如何提高固态变压器的效率
在 8 月 20 日发表在 IEEE Transactions on Power Electronics 上的一项研究中，位于班加罗尔的印度科学研究所和台达电子印度公司的研究人员提出了一种基于级联 H 桥 （CHB） 的多端口 SST，以消除这些妥协。“我们的解决方案实现了与单端口转换器相同的半导体器件数量，同时提供多个独立控制的直流输出，”台达电子首席技术官 Shashidhar Matapati 说。“这意味着没有额外的电池存储，没有额外的半导体器件，也没有额外的中压绝缘。”
该团队构建了一个 1.2 千瓦的实验室原型来验证设计，在额定负载下实现了 95.3% 的效率。他们还模拟了一个全尺寸 11 千伏、400 千瓦的系统，分为两个 200 千瓦的端口。
该系统的核心是位于转换器低压侧的多绕组变压器。这种配置避免了对昂贵、笨重的中压绝缘的需求，并允许在没有辅助电池的情况下在端口之间进行功率平衡。作者在论文中写道：“以前基于 CHB 的多端口设计需要多个电池组或电容器网络来平衡负载。”我们已经证明，您可以通过更简单、更轻、更可靠的变压器布置来实现相同的结果。”
一种新的调制和控制策略在电网接口处保持单位功率因数，这意味着来自电网的电流不会因在源极和负载之间来回振荡而浪费，而无需做任何功。作者描述的SST还允许每个直流端口独立运行。实际上，连接到充电器的每辆车都能够接收适当的电压和电流，而不会影响相邻端口或干扰电网连接。
使用串联的碳化硅开关，该系统可以在保持高效率的同时处理中压输入。11 kV 电网连接每相只需要 12 个级联模块，大约是一些模块化多电平转换器设计的一半。更少的模块最终意味着更低的成本、更简单的控制和更高的可靠性。
尽管仍处于实验室阶段，但该设计可以实现新一代紧凑、经济高效的快速充电集线器。通过消除对中间电池存储的需求（这增加了成本、复杂性和维护），所提出的拓扑可以延长电动汽车充电站的运行寿命。
据研究人员称，该转换器不仅仅用于电动汽车充电。任何需要中压到多端口低压转换的应用（例如数据中心、可再生能源集成或工业直流电网）都可以受益。
对于面临兆瓦级需求的公用事业和充电提供商来说，这种简化的固态变压器可以帮助使电动汽车革命更加友好，并为等待充电的司机提供更快的速度。
研究人员开发了一种更便宜、更小的固态变压器的原型，可以有利于电动汽车充电。Harisyam PV、Saichand Kasicheyanula 等人。
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