EVSE 设计的系统级考虑因素

成本、效率、可靠性和双向性是影响电动汽车充电站设计的四个系统级考虑因素

电动汽车 （EV） 继续普及。为了加速电动汽车革命，充电基础设施正在根据不断增长的需求扩大规模。促进向低碳交通的转变是需要努力的。

电动汽车供电设备 （EVSE） 和充电站是电动汽车生态系统的重要组成部分。必须考虑几个因素，以确保家庭、公共和商业充电设备有效、易于使用且用户友好。系统工程师在为任何充电站设计电动汽车供电设备之前应考虑几个因素。

充电站的基本要求

为了在 EVSE 的整个生命周期内获得最佳回报，根据其用途和位置评估任何特定充电站的基本要求至关重要。这些要求可能并不总是相同的。在考虑充电站的高级设计时，请考虑它的使用方式和安装位置。这些高级考虑因素将影响低级电气设计。

这些考虑因素将受到充电站是供人流量大或低流量区域的公共使用，还是用于住宅用途的影响。该位置将对功能以及随后的设计产生重大影响。

在规划阶段，确定充电站的最大可用输入功率和所需的输出功率非常重要。两者都直接影响充电速度，根据这些参数选择的设计拓扑也直接影响充电速度。更高的输出需要更多的输入功率，但可以更快地充电，从而减少用户在充电站花费的时间。

但快速充电可能无法或不适合该位置。更高效的转换拓扑降低了对输入功率的需求，从而允许在一个位置实现更高的充电站密度。但此要求也可能影响其他因素，例如单位成本或可靠性。这些考虑因素与公共充电站更相关，因为用户可能需要快速、随时随地充电。

系统级因素

原始设备制造商必须确定四个关键因素的相对优先级。这些因素是成本、效率、可靠性和功能性。每个拓扑都对所使用的拓扑有直接影响。针对所有四个因素优化设计可能不可行，因此确定优先级将有助于集中资源。在更广泛的基础上，平衡这些变量的全行业方法将产生一个不仅在经济上可行，而且能够满足电动汽车生态系统需求的充电基础设施。

单位成本

大批量部署是电动汽车充电站设计的关键因素，因为它直接影响充电网络的可访问性和可扩展性。所使用的拓扑以及充电硬件、储能系统和网络连接的选择是总体成本的重要贡献者。此外，应仔细评估选址、可再生能源的可用性和并网费用等因素，以优化每个充电站的成本效益。

效率

为了最大限度地提高可用能量并最大限度地缩短充电时间，效率将是一些电动汽车充电站的重中之重。充电效率目标将影响所使用的电路拓扑、电力电子设备（IGBT 或 SiC/GaN 功率器件）以及智能充电算法的集成。优先考虑效率的原始设备制造商必须专注于优化电源转换过程、最大限度地减少损耗并整合智能功能，以便根据电网条件和用户需求进行动态调整。

可靠性

故障间隔时间可能是充电站效率的决定性因素。可靠性的设计考虑因素包括硬件的稳健性、容错性和冗余系统的实施。选择高质量的组件、耐候材料、适当的热管理以及先进的监控和维护系统对于确保不间断服务至关重要。对于公共充电站，设计人员还需要考虑网络安全等因素，以防范潜在威胁，确保充电站的安全可靠运行。

功能性

需要考虑的一个新兴领域是双向充电。越来越多的消费者正在了解车辆到电网 （V2G） 功能，使电动汽车不仅能够消耗能源，还可以在需求高峰期将能量返回电网。这种双向能量流需要先进的电力电子设备（即特定类型的分立电源、电源模块和拓扑）、电网通信协议和智能充电算法。双向性有可能在电动汽车闲置期间将其转变为分布式能源，从而有助于电网的稳定性和弹性。目前，双向充电针对的是家用充电器，但未来可能会改变。

充电站的基本组件

充电率将取决于用例以及可用功率。在家庭环境中，电动汽车可以长时间插入电源（例如过夜），因此将部署速度较慢的单相充电器。路边充电器，例如在加油站，必须优先考虑便利性。这表明充电器的快速充电和高可用性可以满足高峰需求。在这种情况下，将调试三相充电器。

电动汽车快速充电站的典型框图如表 1 所示。该硬件架构的主要组件可提供 50kW 至 350kW 的输出功率，包括：

• EMI滤波：该模块过滤三相交流输入电源，减少充电器产生的电磁辐射。

• PFC： 功率因数校正 （PFC） 级通过对齐电流和电压波形、降低无功功率和最大限度地减少能量损失，确保更有效地利用从电网汲取的电力。

• AC/DC 转换器：这将来自电网的交流电 （AC） 转换为为电动汽车电池充电所需的直流电 （DC）。如果充电器由直流电源供电，则不需要此块。

• DC/DC 转换器：该模块负责调整从交流电转换的直流 （DC） 电源的电压水平，以匹配电动汽车的电池（目前最高可提供 800V 电池），确保从充电状态到车辆的高效电力传输。

• 电动汽车充电器控制：充电控制器管理电网和电动汽车之间的电流。它调节充电过程以确保最佳性能、防止过度充电并保护电池。如表1所示，它为连接到开关电源转换器的栅极驱动器提供所需的PWM信号。

• 计量块：该模块的任务是在充电过程进行时精确测量和监控相关电气参数。这对于公共充电器来说尤为重要，因为它必须准确测量和量化能耗、电压、电流和其他相关参数，以生成精确的发票数据。在所有应用中，都需要计量来分析系统性能并保证充电站的整体可靠性和效率。

其他组件包括连接器、电缆、继电器和执行器。

用于 AC/DC 和 DC/DC 转换器的主要拓扑类型，每种拓扑都有其优缺点，总结如下：

表 1：AC/DC 整流器最常用的拓扑结构（来源：Avnet）

表 2：DC/DC 转换器最常用的拓扑结构（来源：安富利）

网格界面

除了系统级的考虑外，OEM 的客户还将从现有能源基础设施的角度考虑要求。充电站与电网之间存在着复杂的关系。一个充电站的电力需求对电网的影响必须与许多充电站的需求进行比较。用户体验与当地电网可以提供的电量密不可分。

在繁忙时期，对输出电力的需求可能会给电网带来压力。EVSE 转换器设计拓扑必须考虑电源波动引起的漏洞。满足电动汽车驾驶员不断增长的电力需求并保持电网的稳定性需要协作。

将光伏 （PV） 和其他形式的可再生能源集成到充电站基础设施中可以提高可持续性，同时减少对传统电源的依赖。然而，可再生能源本质上不太可靠。光伏电池板在夜间不发电。由于可再生能源的可靠性较低，因此必须提供来自电网的电力作为备用电力。如果连接的电动汽车的需求超过可用功率，则必须调整输出功率，从而调整充电速度。某些转换器拓扑将比其他拓扑更适合这种情况。

该领域出现的另一个趋势是将电池集成为电网和 EVSE 之间的缓冲区。许多原始设备制造商已经在使用电池作为中间储能。电池实现了两个目标。本地储能减少了对电网的瞬时需求，它还允许在尚不存在三相电源的地区安装快速充电器。

结论

充电器类型会影响设计决策。

• 住宅 L2 空调：单位成本是主要考虑因素。

• 住宅 L2 DC：功能（包括双向充电）推动决策。

• 商用 L2 目的地充电器：对于收费即服务运营商来说，单位成本已经让位于效率。

• 商用 L3 直流快速充电：可靠性和功能性（兼容性）正在成为关键驱动因素。一些国家正在提供补贴以加速这部分电动汽车充电基础设施的发展。

成本、效率、可靠性和双向性是影响电动汽车充电站设计的四个系统级考虑因素。精心设计的充电站的关键是对这些方面的欣赏和优先考虑。这将确保可靠、高效和具有成本效益的基础设施，能够满足对电动汽车日益增长的需求，并帮助电网保持弹性和可持续性。