我们的电动汽车充电方式错了？

电动汽车先行者说，20世纪90年代的 充电机设计更经济、更简单，而且同样安全。

如果现在可以做一件事来加快电动汽车转型，那么这件事一定是：建造强大的电动汽车充电公共基础设施。

虽然媒体一直在关注汽车的性能和续航里程，但消费者一直很明确，他们希望电动汽车的基本功能与油车相同，包括能够昼夜进行长途旅行。

对于那些还没有电动汽车的人来说，强大的基础设施似乎并不重要。研究表明，在成熟的市场中，高达90%的充电是在家中进行的。但是，事实证明，剩余10%的充电场景至关重要。货车和出租车司机、公寓楼的居民、开学或返校路上的大学生、度假的家庭和还有其他的无数人都知道，在公共充电设备稀缺或不可靠的地方，驾驶电动汽车会经历多少磨难。例如，福布斯2022年的一项调查表明，62%的电动汽车车主对电动汽车的续航里程非常焦虑，以至于他们有时会缩减自己的旅行计划。

这对政策制定者来说不是秘密。国际能源署最近的一份简报指出，在中国，投资充电基础设施对促进电动汽车发展的效果是提供购车提供补贴的4倍。

这些是我们几十年来一直在探讨的问题。早在1992年，我们就共同创立了AC Propulsion公司，推出了高性能电动跑车tZero，其基础技术和设计后来融入了最初的特斯拉Roadster。自那以后多年，对于如何制造人们真正想拥有和驾驶的汽车，我们有很多思考。

如果问潜在的电动汽车车主，是什么限制了电动汽车的应用时，他们常常会指向数量有限的可用充电站，特别是快速公共充电站。拥有这些充电站的运营商也这么说，而且还提到了高额的设备成本：一个四端口直流快速充电站的成本约为47万到72.5万美元。他们表示，如果设备成本更低，他们会安装更多充电站。这可能会形成一个良性循环：充电业务做得好，电动汽车车主受益，会有更多的人考虑购买电动汽车。

但问题是，电动汽车充电可以更经济、更高效吗？更具体地说，是否有一种方法，能够在不牺牲安全性的情况下减少充电站的复杂性，降低快速充电站的高成本，大幅提高电动汽车的普及率呢？

答案是肯定的，原因如下。

在解释我们的解决方案之前，首先回顾一下最基本的知识。充电站是拥有一个或多个充电端口的实体位置，每个端口都可以为一辆电动汽车充电。为了支持不同的电动汽车标准，每个端口可能有多种类型的服务连接器。

端口的功能是将来自电网的交流电转换为电池适用的直流电。必须控制充电电流始终满足以下标准：电池芯的电压不得超过临界限值；电池温度不得超过预设阈值；来自电力公司的电流必须始终低于某个特定值。如果不满足前两个条件，电池可能会损坏或着火；如果不满足第三个条件，充电桩或设施可能会过载，导致断路器跳闸或保险丝熔断。

除了这些要求，充电桩必须保护用户，防止触电，但这并不容易。充电桩的工作环境较为恶劣，通常是在室外，湿度变化很大，地面可能有积水。设备也可能会损坏，甚至遭到破坏。

防止触电的可靠方法是使用电气接地，即与大地直接进行物理连接，为电流提供通路。有这种通道时，漏电电流（例如，在底盘）可直接流入大地，避免可能站在附近的人触电。电动汽车正在充电时，充电电缆中的绿色接地线即为接地通道。（由于电动汽车有橡胶轮胎，汽车本身不能作为通道。）

如果没有这样的通道，会发生什么？如果电动汽车充电桩中的接地连接断开或受损，充电端口必须有备用解决方案。在今天，这种解决方案被称为“电气隔离”。在电气隔离的电气系统中，系统的某些部分之间不允许有直接的电流传导通道。

充电桩的电气隔离硬件被称为“隔离链接”，它通过物理和电气方法分离两个电路，电势差不会导致电流从一个电路流向另一个电路。就电动汽车充电机而言，一端是与电网相连的电路，另一端是与车辆电池相连的电路。

这种隔离实际上是一种救命的安全设置。假设一辆电动汽车的电池出现了泄漏。泄漏的液体具有导电性，会在电池电路和车辆底盘之间产生电流通道。如果这时接地电路断开，那么，在没有隔离的情况下，车辆底盘将处于高电压状态。因此，站在地上触摸汽车的人可能会有触电危险。而有了隔离，就不会有触电危险，因为电网设施和车身之间不存在电流通路。

只有一种元件可以传输千瓦级功率，同时隔离两个电路：变压器。连接低频市电的变压器又重又大。而对于电动汽车充电机，重量和尺寸很关键，其变压器要小得多，甚至不到标准建筑砖体积的一半。这是因为充电站使用逆变器将直流电转换成了高频交流电；然后，将高频交流电送入小型隔离变压器；最后，变压器的输出通过高频整流电路变回直流电，完成这个过程。

我们将在下一部分讨论这种功率转换的细节，通过这一简要介绍，我们了解了今天的安全充电方式，无论是使用公共充电桩还是在家庭车库中使用汽车的车载充电机充电，均是如此。

在家充电时，几乎每辆电动汽车都有车载充电机，它们将直流电转换为交流电，就像公共快速充电桩那样。顾名思义，车载充电机装在车辆中。根据车辆品牌和型号的不同，车载充电机能够提供的电池充电功率大约为5到22千瓦。与快速充电相比，这种充电机的充电速度很慢。通常只有公共充电桩能够提供快速充电，功率大致为50千瓦起步，最高可达350千瓦。

如今，所有充电器都是电气隔离的，无论是车载充电机还是非车载充电机。无论是在车上还是在公共充电桩中，电气隔离都被集成在功率转换的硬件中。

与智能手机或笔记本电脑充电使用的开关电源相比，电动汽车充电机的硬件体积更大，功率更高。我们在上文介绍了电动汽车功率转换方式的基本概念，但实际要比这复杂一些。电动汽车的功率转换分为4个阶段（见下图《分离市电和电动汽车电池的隔离链接》）。在第一阶段，单相或三相交流电通过有源整流器转换为直流电。第二阶段，来自第一阶段的直流电通过逆变器电路转换成高频交流电方波（想象一下经典正弦波，形状是方形，而不是正弦形）。要变成高频的原因是在第三阶段中，变压器要将交流电转换为不同电压，与电网的低频交流电相比，高频交流电可以使变压器的体积更小、重量更轻。最后，在第四阶段，高频整流器将高频交流电转换回直流电，然后将其输入到车辆电池。第二、第三和第四阶段共同构成隔离链接，提供电气隔离。

隔离链接非常昂贵。对于一辆普通的电动汽车，它约占功率电子设备成本的60%，大约占充电机功率损耗的50%。我们估计，电气隔离充电端口的材料费用和组装成本约为每千瓦300美元。因此，公共充电站一个300千瓦端口的电子设备约为9万美元，其中约5.4万美元用于隔离链路。

我们来算一下：一个四端口充电站的电力电子设备大约为36万美元，其中超过20万美元用于电气隔离。要计算一个国家的总成本，比如美国，将每个充电端口的功率电子设备成本降低60%，再乘以美国6.1万多个公共电动汽车充电站的端口总数即可。

对于电动汽车车载充电机来说，隔离链接不仅增加了成本，还增加了体积。充电能力越高，隔离系统的成本和尺寸就越大。这就是为什么我们永远无法利用车载充电机进行快充的原因：成本和尺寸大到无法将它放进车里。

这也是我们建议取消电气隔离的主要原因。取消电气隔离后，可以节省数十亿美元的资金和能源消耗。充电机所需元件大约是原来的一半，硬件可靠性将提高。取消电气隔离，也就是取消充电机第二、第三和第四阶段的硬件，将大大缩小车载充电机的尺寸，使其能够实现快速充电，亦被称为“三级充电”。这是最高充电级别，可提供100千瓦以上的直流电电流。

隔离链接消除后，我们还可以采取下一步措施：让为驱动车辆行驶电机供电的车载逆变器也可为电池充电。车载逆变器承担双重任务后，可以将剩余成本再降低一半。

这些都不是什么新想法。2008年上市的原始特斯拉Roadster，以及交流电Propulsion制造的所有产品都成功使用了非电气隔离的集成充电技术，其中，充电功能由逆变器执行。这些AC Propulsion车辆的标称电池电压约为400伏直流电，与今天的大多数电动汽车一样。

取消隔离链接的要求并不是很复杂，也不昂贵。不过，有两个问题需要特别注意：触电危险，以及市电和电池的电压兼容。

首先，我们来看看触电危险。如果以下3个条件同时存在，则会出现触电危险：车辆未接地、未接地的车辆通电，以及形成了漏电回路（见插图《触电危险》）。例如，如果电池的电解液泄漏，在电池和车身之间形成了一条通路，则可能会形成漏电回路。由于所有电动汽车充电系统都包括接地连接，所以只有当接地连接断开或损坏时，才会出现漏电回路问题。

所有车载和非车载充电系统均包括被称为“安全接触器”的元件，只有在进行了各种电子检查后，安全接触器才会向电池供电。这些检查包括接地验证，测试接地连接是否完好等。如果接地连接缺失或存在故障，就不会向电池供电。

对于二级充电，例如在家庭车库环境下，安全接触器在电动汽车供电设备（EVSE）模块中。电动汽车供电设备的尺寸通常和大鞋盒相当，可以安装在墙上或柱子上。在公共快速充电情况下，安全接触器是硬件不可分割的组成部分。

这意味着取消电气隔离不会带来触电危险。如果汽车接地，同时漏电使车辆底盘处于高电压状态，产生接地电流浪涌，将立即自动触发充电机的断路器跳闸。

因此，问题就变成：可以相信接地验证的失效安全吗？换言之，即使接地验证电路中的元件失效，如果接地电路断开或受损，我们能否保证绝不会通电？从道德和法律的角度来看，这种绝对保证是必要的。除非能用更安全的东西来替代，否则，取消现有的安全要素，例如电气隔离等，是不可接受的。

我们可以做到这一点，只需对充电机电路进行比较简单的修动即可。

这种更高级别的安全性可以通过双接地和连续接地检测来实现（见插图《“双接地”电路可防触电》）。这种双接地方式采用了两根接地线。采用这种结构后，如果一根接地线断开，另一根可确保汽车仍然接地。为了进一步提高安全性，只要检测到有一根接地线故障后，就立即切断电源，即使另一根接地线是完好的。

连续接地线检测既不昂贵也不复杂。大约一年前，本文作者沃利•里佩尔（Wally Rippel）开发了一个原型检测电路。该系统使用了两台小型变压器，一个负责将信号注入其中一根接地线，另一个负责检测第二根接地线的信号。如果第二台变压器没有检测到信号，接触器（例如电动汽车供电设备）就会断开，这样便无法通电了。有了这个电路，即使一个或多个元件 发生故障，整个系统也能保持失效安全。

这种安排给充电上了双重保险，是真正的“双重保险”。此外，两个接地电路相互独立，因此单一故障不会导致两个接地都出现问题。这降低了接地故障的发生概率：如果单一接地故障的发生概率是P，则两个都发生故障的概率是P2。通过增加一个电路来感知两个接地是否形成了完整电路，安全性得到进一步提高；一旦两个接地之一损坏或断开，电源就会关闭。

如果要取消电气隔离，消除触电危险并不是唯一要处理的问题。还有电压问题，特别是，要防止市电交流电线电压和电动汽车电池电压不匹配。

在一种情况下，即当输入市电电压超过电池电压时，电压不匹配会成为问题，如果这种情况发生，即使是一瞬间，不受控制的电流也会流入电池，可能会导致电池损坏或断路器跳闸。

有一个办法可以解决这个问题，即采用一种叫作降压调节器的器件。降压调节器在功能上与降压变压器类似，不过它处理的是直流电而不是交流电。当市电电压超过电池电压时，降压调节器会像变压器一样工作并降低电压。与相同额定功率的隔离链路相比，降压调节器的成本不到其10%，功耗不到20%。

现在，希望读者已理解，为什么说现有的车载和公共电动汽车充电四阶段方案是不必要的，它们复杂且昂贵。这4个阶段中有3个可以完全消除，留下一个有源整流器阶段即可；如有必要，可再增加一个低成本的降压调节器。为了将安全性提高到与现有电动汽车充电装置一样高（甚至更高）的水平，我们将增加连续接地检测的双接地，我们将这种改进方法称之为直接功率转换（DPC）。

直接功率转换方法可以将设备成本降低一半以上，同时将能效提高2%到3%。这正是现阶段的电动汽车革命所需要的，因为这将提高运营商对电动汽车充电站价格的可承受性，并推动在几年内（而不是十年或更长时间）建设数千个这样的充电站。对于那些因为对充电基础设施的薄弱状态感到不安而拒绝购买电动汽车的人，这也将提高电动汽车的吸引力。

简化电动汽车充电过程，提高成本效益的时候到了。但是，如果技术社区不对电气隔离问题开展一番讨论，这肯定无法实现。开始讨论吧！我们相信，取消隔离链接是迈向强大充电基础设施的第一步，这是电动汽车转型迫切需要的。

作者： Wally Rippel、Alan Cocconi

来源：悦智网

编辑：晨曙

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