電動(dòng)汽車先行者說(shuō)，20世紀(jì)90年代的 充電機(jī)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)單，而且同樣安全。

如果現(xiàn)在可以做一件事來(lái)加快電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型，那么這件事一定是：建造強(qiáng)大的電動(dòng)汽車充電公共基礎(chǔ)設(shè)施。

雖然媒體一直在關(guān)注汽車的性能和續(xù)航里程，但消費(fèi)者一直很明確，他們希望電動(dòng)汽車的基本功能與油車相同，包括能夠晝夜進(jìn)行長(zhǎng)途旅行。

對(duì)于那些還沒(méi)有電動(dòng)汽車的人來(lái)說(shuō)，強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施似乎并不重要。研究表明，在成熟的市場(chǎng)中，高達(dá)90%的充電是在家中進(jìn)行的。但是，事實(shí)證明，剩余10%的充電場(chǎng)景至關(guān)重要。貨車和出租車司機(jī)、公寓樓的居民、開(kāi)學(xué)或返校路上的大學(xué)生、度假的家庭和還有其他的無(wú)數(shù)人都知道，在公共充電設(shè)備稀缺或不可靠的地方，駕駛電動(dòng)汽車會(huì)經(jīng)歷多少磨難。例如，福布斯2022年的一項(xiàng)調(diào)查表明，62%的電動(dòng)汽車車主對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程非常焦慮，以至于他們有時(shí)會(huì)縮減自己的旅行計(jì)劃。

這對(duì)政策制定者來(lái)說(shuō)不是秘密。國(guó)際能源署最近的一份簡(jiǎn)報(bào)指出，在中國(guó)，投資充電基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展的效果是提供購(gòu)車提供補(bǔ)貼的4倍。

這些是我們幾十年來(lái)一直在探討的問(wèn)題。早在1992年，我們就共同創(chuàng)立了AC Propulsion公司，推出了高性能電動(dòng)跑車tZero，其基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)計(jì)后來(lái)融入了最初的特斯拉Roadster。自那以后多年，對(duì)于如何制造人們真正想擁有和駕駛的汽車，我們有很多思考。

如果問(wèn)潛在的電動(dòng)汽車車主，是什么限制了電動(dòng)汽車的應(yīng)用時(shí)，他們常常會(huì)指向數(shù)量有限的可用充電站，特別是快速公共充電站。擁有這些充電站的運(yùn)營(yíng)商也這么說(shuō)，而且還提到了高額的設(shè)備成本：一個(gè)四端口直流快速充電站的成本約為47萬(wàn)到72.5萬(wàn)美元。他們表示，如果設(shè)備成本更低，他們會(huì)安裝更多充電站。這可能會(huì)形成一個(gè)良性循環(huán)：充電業(yè)務(wù)做得好，電動(dòng)汽車車主受益，會(huì)有更多的人考慮購(gòu)買電動(dòng)汽車。

但問(wèn)題是，電動(dòng)汽車充電可以更經(jīng)濟(jì)、更高效嗎？更具體地說(shuō)，是否有一種方法，能夠在不犧牲安全性的情況下減少充電站的復(fù)雜性，降低快速充電站的高成本，大幅提高電動(dòng)汽車的普及率呢？

答案是肯定的，原因如下。

在解釋我們的解決方案之前，首先回顧一下最基本的知識(shí)。充電站是擁有一個(gè)或多個(gè)充電端口的實(shí)體位置，每個(gè)端口都可以為一輛電動(dòng)汽車充電。為了支持不同的電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)端口可能有多種類型的服務(wù)連接器。

端口的功能是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為電池適用的直流電。必須控制充電電流始終滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：電池芯的電壓不得超過(guò)臨界限值；電池溫度不得超過(guò)預(yù)設(shè)閾值；來(lái)自電力公司的電流必須始終低于某個(gè)特定值。如果不滿足前兩個(gè)條件，電池可能會(huì)損壞或著火；如果不滿足第三個(gè)條件，充電樁或設(shè)施可能會(huì)過(guò)載，導(dǎo)致斷路器跳閘或保險(xiǎn)絲熔斷。

除了這些要求，充電樁必須保護(hù)用戶，防止觸電，但這并不容易。充電樁的工作環(huán)境較為惡劣，通常是在室外，濕度變化很大，地面可能有積水。設(shè)備也可能會(huì)損壞，甚至遭到破壞。

防止觸電的可靠方法是使用電氣接地，即與大地直接進(jìn)行物理連接，為電流提供通路。有這種通道時(shí)，漏電電流（例如，在底盤(pán)）可直接流入大地，避免可能站在附近的人觸電。電動(dòng)汽車正在充電時(shí)，充電電纜中的綠色接地線即為接地通道。（由于電動(dòng)汽車有橡膠輪胎，汽車本身不能作為通道。）

如果沒(méi)有這樣的通道，會(huì)發(fā)生什么？如果電動(dòng)汽車充電樁中的接地連接斷開(kāi)或受損，充電端口必須有備用解決方案。在今天，這種解決方案被稱為“電氣隔離”。在電氣隔離的電氣系統(tǒng)中，系統(tǒng)的某些部分之間不允許有直接的電流傳導(dǎo)通道。

充電樁的電氣隔離硬件被稱為“隔離鏈接”，它通過(guò)物理和電氣方法分離兩個(gè)電路，電勢(shì)差不會(huì)導(dǎo)致電流從一個(gè)電路流向另一個(gè)電路。就電動(dòng)汽車充電機(jī)而言，一端是與電網(wǎng)相連的電路，另一端是與車輛電池相連的電路。

這種隔離實(shí)際上是一種救命的安全設(shè)置。假設(shè)一輛電動(dòng)汽車的電池出現(xiàn)了泄漏。泄漏的液體具有導(dǎo)電性，會(huì)在電池電路和車輛底盤(pán)之間產(chǎn)生電流通道。如果這時(shí)接地電路斷開(kāi)，那么，在沒(méi)有隔離的情況下，車輛底盤(pán)將處于高電壓狀態(tài)。因此，站在地上觸摸汽車的人可能會(huì)有觸電危險(xiǎn)。而有了隔離，就不會(huì)有觸電危險(xiǎn)，因?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)施和車身之間不存在電流通路。

只有一種元件可以傳輸千瓦級(jí)功率，同時(shí)隔離兩個(gè)電路：變壓器。連接低頻市電的變壓器又重又大。而對(duì)于電動(dòng)汽車充電機(jī)，重量和尺寸很關(guān)鍵，其變壓器要小得多，甚至不到標(biāo)準(zhǔn)建筑磚體積的一半。這是因?yàn)槌潆娬臼褂媚孀兤鲗⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成了高頻交流電；然后，將高頻交流電送入小型隔離變壓器；最后，變壓器的輸出通過(guò)高頻整流電路變回直流電，完成這個(gè)過(guò)程。

我們將在下一部分討論這種功率轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)，通過(guò)這一簡(jiǎn)要介紹，我們了解了今天的安全充電方式，無(wú)論是使用公共充電樁還是在家庭車庫(kù)中使用汽車的車載充電機(jī)充電，均是如此。

在家充電時(shí)，幾乎每輛電動(dòng)汽車都有車載充電機(jī)，它們將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，就像公共快速充電樁那樣。顧名思義，車載充電機(jī)裝在車輛中。根據(jù)車輛品牌和型號(hào)的不同，車載充電機(jī)能夠提供的電池充電功率大約為5到22千瓦。與快速充電相比，這種充電機(jī)的充電速度很慢。通常只有公共充電樁能夠提供快速充電，功率大致為50千瓦起步，最高可達(dá)350千瓦。

如今，所有充電器都是電氣隔離的，無(wú)論是車載充電機(jī)還是非車載充電機(jī)。無(wú)論是在車上還是在公共充電樁中，電氣隔離都被集成在功率轉(zhuǎn)換的硬件中。

與智能手機(jī)或筆記本電腦充電使用的開(kāi)關(guān)電源相比，電動(dòng)汽車充電機(jī)的硬件體積更大，功率更高。我們?cè)谏衔慕榻B了電動(dòng)汽車功率轉(zhuǎn)換方式的基本概念，但實(shí)際要比這復(fù)雜一些。電動(dòng)汽車的功率轉(zhuǎn)換分為4個(gè)階段（見(jiàn)下圖《分離市電和電動(dòng)汽車電池的隔離鏈接》）。在第一階段，單相或三相交流電通過(guò)有源整流器轉(zhuǎn)換為直流電。第二階段，來(lái)自第一階段的直流電通過(guò)逆變器電路轉(zhuǎn)換成高頻交流電方波（想象一下經(jīng)典正弦波，形狀是方形，而不是正弦形）。要變成高頻的原因是在第三階段中，變壓器要將交流電轉(zhuǎn)換為不同電壓，與電網(wǎng)的低頻交流電相比，高頻交流電可以使變壓器的體積更小、重量更輕。最后，在第四階段，高頻整流器將高頻交流電轉(zhuǎn)換回直流電，然后將其輸入到車輛電池。第二、第三和第四階段共同構(gòu)成隔離鏈接，提供電氣隔離。

隔離鏈接非常昂貴。對(duì)于一輛普通的電動(dòng)汽車，它約占功率電子設(shè)備成本的60%，大約占充電機(jī)功率損耗的50%。我們估計(jì)，電氣隔離充電端口的材料費(fèi)用和組裝成本約為每千瓦300美元。因此，公共充電站一個(gè)300千瓦端口的電子設(shè)備約為9萬(wàn)美元，其中約5.4萬(wàn)美元用于隔離鏈路。

我們來(lái)算一下：一個(gè)四端口充電站的電力電子設(shè)備大約為36萬(wàn)美元，其中超過(guò)20萬(wàn)美元用于電氣隔離。要計(jì)算一個(gè)國(guó)家的總成本，比如美國(guó)，將每個(gè)充電端口的功率電子設(shè)備成本降低60%，再乘以美國(guó)6.1萬(wàn)多個(gè)公共電動(dòng)汽車充電站的端口總數(shù)即可。

對(duì)于電動(dòng)汽車車載充電機(jī)來(lái)說(shuō)，隔離鏈接不僅增加了成本，還增加了體積。充電能力越高，隔離系統(tǒng)的成本和尺寸就越大。這就是為什么我們永遠(yuǎn)無(wú)法利用車載充電機(jī)進(jìn)行快充的原因：成本和尺寸大到無(wú)法將它放進(jìn)車?yán)铩?/p>

這也是我們建議取消電氣隔離的主要原因。取消電氣隔離后，可以節(jié)省數(shù)十億美元的資金和能源消耗。充電機(jī)所需元件大約是原來(lái)的一半，硬件可靠性將提高。取消電氣隔離，也就是取消充電機(jī)第二、第三和第四階段的硬件，將大大縮小車載充電機(jī)的尺寸，使其能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，亦被稱為“三級(jí)充電”。這是最高充電級(jí)別，可提供100千瓦以上的直流電電流。

隔離鏈接消除后，我們還可以采取下一步措施：讓為驅(qū)動(dòng)車輛行駛電機(jī)供電的車載逆變器也可為電池充電。車載逆變器承擔(dān)雙重任務(wù)后，可以將剩余成本再降低一半。

這些都不是什么新想法。2008年上市的原始特斯拉Roadster，以及交流電Propulsion制造的所有產(chǎn)品都成功使用了非電氣隔離的集成充電技術(shù)，其中，充電功能由逆變器執(zhí)行。這些AC Propulsion車輛的標(biāo)稱電池電壓約為400伏直流電，與今天的大多數(shù)電動(dòng)汽車一樣。

取消隔離鏈接的要求并不是很復(fù)雜，也不昂貴。不過(guò)，有兩個(gè)問(wèn)題需要特別注意：觸電危險(xiǎn)，以及市電和電池的電壓兼容。

首先，我們來(lái)看看觸電危險(xiǎn)。如果以下3個(gè)條件同時(shí)存在，則會(huì)出現(xiàn)觸電危險(xiǎn)：車輛未接地、未接地的車輛通電，以及形成了漏電回路（見(jiàn)插圖《觸電危險(xiǎn)》）。例如，如果電池的電解液泄漏，在電池和車身之間形成了一條通路，則可能會(huì)形成漏電回路。由于所有電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)都包括接地連接，所以只有當(dāng)接地連接斷開(kāi)或損壞時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)漏電回路問(wèn)題。

所有車載和非車載充電系統(tǒng)均包括被稱為“安全接觸器”的元件，只有在進(jìn)行了各種電子檢查后，安全接觸器才會(huì)向電池供電。這些檢查包括接地驗(yàn)證，測(cè)試接地連接是否完好等。如果接地連接缺失或存在故障，就不會(huì)向電池供電。

對(duì)于二級(jí)充電，例如在家庭車庫(kù)環(huán)境下，安全接觸器在電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）模塊中。電動(dòng)汽車供電設(shè)備的尺寸通常和大鞋盒相當(dāng)，可以安裝在墻上或柱子上。在公共快速充電情況下，安全接觸器是硬件不可分割的組成部分。

這意味著取消電氣隔離不會(huì)帶來(lái)觸電危險(xiǎn)。如果汽車接地，同時(shí)漏電使車輛底盤(pán)處于高電壓狀態(tài)，產(chǎn)生接地電流浪涌，將立即自動(dòng)觸發(fā)充電機(jī)的斷路器跳閘。

因此，問(wèn)題就變成：可以相信接地驗(yàn)證的失效安全嗎？換言之，即使接地驗(yàn)證電路中的元件失效，如果接地電路斷開(kāi)或受損，我們能否保證絕不會(huì)通電？從道德和法律的角度來(lái)看，這種絕對(duì)保證是必要的。除非能用更安全的東西來(lái)替代，否則，取消現(xiàn)有的安全要素，例如電氣隔離等，是不可接受的。

我們可以做到這一點(diǎn)，只需對(duì)充電機(jī)電路進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的修動(dòng)即可。

這種更高級(jí)別的安全性可以通過(guò)雙接地和連續(xù)接地檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)插圖《“雙接地”電路可防觸電》）。這種雙接地方式采用了兩根接地線。采用這種結(jié)構(gòu)后，如果一根接地線斷開(kāi)，另一根可確保汽車仍然接地。為了進(jìn)一步提高安全性，只要檢測(cè)到有一根接地線故障后，就立即切斷電源，即使另一根接地線是完好的。

連續(xù)接地線檢測(cè)既不昂貴也不復(fù)雜。大約一年前，本文作者沃利?里佩爾（Wally Rippel）開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型檢測(cè)電路。該系統(tǒng)使用了兩臺(tái)小型變壓器，一個(gè)負(fù)責(zé)將信號(hào)注入其中一根接地線，另一個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)第二根接地線的信號(hào)。如果第二臺(tái)變壓器沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，接觸器（例如電動(dòng)汽車供電設(shè)備）就會(huì)斷開(kāi)，這樣便無(wú)法通電了。有了這個(gè)電路，即使一個(gè)或多個(gè)元件 發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)也能保持失效安全。

這種安排給充電上了雙重保險(xiǎn)，是真正的“雙重保險(xiǎn)”。此外，兩個(gè)接地電路相互獨(dú)立，因此單一故障不會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)接地都出現(xiàn)問(wèn)題。這降低了接地故障的發(fā)生概率：如果單一接地故障的發(fā)生概率是P，則兩個(gè)都發(fā)生故障的概率是P2。通過(guò)增加一個(gè)電路來(lái)感知兩個(gè)接地是否形成了完整電路，安全性得到進(jìn)一步提高；一旦兩個(gè)接地之一損壞或斷開(kāi)，電源就會(huì)關(guān)閉。

如果要取消電氣隔離，消除觸電危險(xiǎn)并不是唯一要處理的問(wèn)題。還有電壓?jiǎn)栴}，特別是，要防止市電交流電線電壓和電動(dòng)汽車電池電壓不匹配。

在一種情況下，即當(dāng)輸入市電電壓超過(guò)電池電壓時(shí)，電壓不匹配會(huì)成為問(wèn)題，如果這種情況發(fā)生，即使是一瞬間，不受控制的電流也會(huì)流入電池，可能會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或斷路器跳閘。

有一個(gè)辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題，即采用一種叫作降壓調(diào)節(jié)器的器件。降壓調(diào)節(jié)器在功能上與降壓變壓器類似，不過(guò)它處理的是直流電而不是交流電。當(dāng)市電電壓超過(guò)電池電壓時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器會(huì)像變壓器一樣工作并降低電壓。與相同額定功率的隔離鏈路相比，降壓調(diào)節(jié)器的成本不到其10%，功耗不到20%。

現(xiàn)在，希望讀者已理解，為什么說(shuō)現(xiàn)有的車載和公共電動(dòng)汽車充電四階段方案是不必要的，它們復(fù)雜且昂貴。這4個(gè)階段中有3個(gè)可以完全消除，留下一個(gè)有源整流器階段即可；如有必要，可再增加一個(gè)低成本的降壓調(diào)節(jié)器。為了將安全性提高到與現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電裝置一樣高（甚至更高）的水平，我們將增加連續(xù)接地檢測(cè)的雙接地，我們將這種改進(jìn)方法稱之為直接功率轉(zhuǎn)換（DPC）。

直接功率轉(zhuǎn)換方法可以將設(shè)備成本降低一半以上，同時(shí)將能效提高2%到3%。這正是現(xiàn)階段的電動(dòng)汽車革命所需要的，因?yàn)檫@將提高運(yùn)營(yíng)商對(duì)電動(dòng)汽車充電站價(jià)格的可承受性，并推動(dòng)在幾年內(nèi)（而不是十年或更長(zhǎng)時(shí)間）建設(shè)數(shù)千個(gè)這樣的充電站。對(duì)于那些因?yàn)閷?duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施的薄弱狀態(tài)感到不安而拒絕購(gòu)買電動(dòng)汽車的人，這也將提高電動(dòng)汽車的吸引力。

簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車充電過(guò)程，提高成本效益的時(shí)候到了。但是，如果技術(shù)社區(qū)不對(duì)電氣隔離問(wèn)題開(kāi)展一番討論，這肯定無(wú)法實(shí)現(xiàn)。開(kāi)始討論吧！我們相信，取消隔離鏈接是邁向強(qiáng)大充電基礎(chǔ)設(shè)施的第一步，這是電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型迫切需要的。

作者： Wally Rippel、Alan Cocconi

來(lái)源：悅智網(wǎng)

編輯：晨曙

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