关于汽车充电设计，我们都错了？

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如果我们现在能做一件事来加速向电动汽车的过渡，那就是：建立一个强大的公共电动汽车充电基础设施。虽然媒体关注的是汽车的性能和续航里程，但消费者一直很清楚，他们希望电动汽车能够完成旧车所能做的一切，包括长途过夜旅行。

对于尚未拥有电动汽车的人来说，强大的基础设施似乎并不重要。毕竟，研究表明，在发达市场，多达 90%的充电都发生在家中。然而，事实证明，剩余的充电比例至关重要。送货卡车和出租车司机、公寓楼居民、上大学的学生、度假的家庭以及无数其他人都了解到，在公共充电设施稀缺或不可靠的情况下，驾驶电动汽车可能会很困难。例如，福布斯2022 年的一项调查显示，62% 的电动汽车车主对电动汽车续航里程非常担心，以至于他们有时会缩减旅行计划。

这对政策制定者来说并不是秘密。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电动汽车的成功影响是向电动汽车购买者提供补贴的四倍。

这些问题我们几十年来一直在努力解决。早在 1992 年，我们就与他人共同创立了 AC Propulsion公司，推出了高性能电动跑车tZero ，其基本技术和设计后来被融入到最初的Tesla Roadster 中。此后的几年里，我们一直在思考如何制造人们真正想要拥有和驾驶的汽车。

我们询问潜在的电动汽车车主，是什么限制了电动汽车的普及时，他们经常指出充电站的使用有限——尤其是快速公共充电站。拥有这些充电站的运营商也谈到了这一点，他们还指出设备成本高昂——一个带有四个端口的直流快速充电站的成本在 470,000 美元到 725,000 美元之间。他们说，如果设备成本更低，他们会安装更多的充电站。这可能是一个良性循环：充电业务会做得更好，电动汽车车主会受益，更多人会考虑购买电动汽车。

问题是，电动汽车充电能否更经济、更高效？更具体地说，有没有办法降低充电站的复杂性，降低快速充电站的高成本，同时在不牺牲安全性的情况下大幅提高电动汽车的普及率？

答案是肯定的，原因如下。

电动汽车充电的工作原理

在解释我们的解决方案之前，让我们先回顾一些基础知识，从最基本的开始。充电站是一个有一个或多个充电端口的物理位置，每个充电端口都可以为一辆电动汽车充电。每个端口可能有多种类型的服务连接器，以支持不同的电动汽车标准。

端口的作用是将电网的交流电转换为直流电，然后将其应用于电池。必须控制充电电流，以便始终满足以下标准：电池单元的电压不得超过临界限值；电池温度不得超过预设阈值；从电力设施获得的电流必须保持在某个值以下。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，充电器或电力设施可能会过载，导致断路器跳闸或保险丝熔断。

除了这些要求之外，充电器还必须保护用户免受电击。这并不总是容易做到的。充电器在恶劣的环境中运行，通常是在户外，湿度变化很大，并且可能存在污染水。设备也可能被损坏甚至破坏。

防止触电的久经考验的方法是使用电气接地。接地顾名思义就是：与大地直接物理连接，为电流提供路径。当存在这样的路径时，杂散电流（例如底盘中的电流）会直接流向地面，避开可能站在附近的任何人。在正在充电的电动汽车中，充电电缆中的绿色接地线将成为接地路径。（由于电动汽车有橡胶轮胎，因此汽车本身不能充当路径。）

如果没有这样的路径会发生什么？如果电动汽车充电器的接地连接断开或受损，充电端口必须有备用解决方案。如今，这种解决方案被称为电流隔离。在电流隔离中，电气系统的某些部分之间不允许有直接传导路径。

充电器电流隔离的硬件称为隔离链路，其工作原理是物理和电气分离两个电路，这样电位差不会导致电流从一个电路流向另一个电路。在电动汽车充电的情况下，这两个电路一方面是电网，另一方面是汽车电池及其相关电路。

这种隔离可以真正起到救命的作用。假设一辆电动汽车的电池漏液。漏出的液体具有导电性，因此可以在电池电路和汽车底盘之间产生电流路径。如果接地电路恰好断开，那么如果没有隔离，汽车底盘就会处于高电压状态。因此，站在地上触摸汽车的人可能会受到致命的电击（见图“电击危险”）。有了隔离，就不会有电击危险，因为从电力设施到车身没有电流路径。

只有一个组件可以在传输千瓦级功率的同时隔离两个电路，那就是变压器。直接连接到低频公用电源的变压器又重又笨重。但对于重量和尺寸至关重要的电动汽车充电来说，变压器要小得多——它们甚至不到标准建筑砖的一半大小。这是因为充电站使用逆变器将直流电转换为高频交流电。然后将高频交流电施加到小型变压器上，从而提供电流隔离。最后，变压器的输出通过高频整流电路变回直流电，完成该过程（如“隔离链路...”图所示）。

我们将在下一部分中详细介绍这种电源转换，但这可以让您了解当今如何安全地进行充电，无论是在公共充电器上还是在家庭车库中通过汽车的车载充电器进行充电。

电流隔离成本很高

几乎每辆电动汽车都配有车载充电器 (OBC)，当车辆在家中充电时，它可以执行交流到直流的转换功能，就像公共快速充电器一样。顾名思义，OBC 位于车辆中。它能够为电池提供约 5 至 22 千瓦的功率，具体取决于车辆的品牌和型号。与快速充电相比，这种充电率较低，快速充电通常仅在公共充电器上提供，功率从 50 千瓦开始，最高可达 350 千瓦。

如今，所有充电器（车载和车外）都采用电气隔离。电气隔离集成到电源转换硬件中，无论是在汽车中还是在公共充电器中。

电动汽车充电器的硬件基本上是用于给智能手机或笔记本电脑充电的开关电源的更大、功率更高的版本。之前，我们介绍了电动汽车中电力转换的基本原理，但实际上它要复杂得多。对于电动汽车，电力转换分为四个阶段（插图“电击危险”）。在第一阶段，有源整流器将单相或三相交流电转换为直流电。在第二阶段，第一阶段的直流电通过称为逆变器的电路转换为高频交流方波（可以想象成经典的正弦波，但形状是方形而不是曲线形）。之所以出现这种高频，是因为在第三阶段，变压器将交流电转换为不同的电压，而高频使该变压器比电网等低频变压器小得多、轻得多。最后，在第四阶段，高频整流器将高频交流电转换回直流电，然后将其发送到车辆的电池。第二、三和四阶段共同构成隔离链路，提供电流隔离（见图示“隔离链路将公用电源与电动汽车电池分开”）。

这种隔离链路非常昂贵。它约占典型电动汽车电力电子设备成本的 60%，也是充电器功率损耗的约 50% 的罪魁祸首。我们估计，电气隔离充电端口的材料清单和组装成本约为每千瓦 300 美元。因此，公共充电站的单个 300 千瓦端口包括约 90,000 美元的电力电子设备，其中约 54,000 美元用于隔离链路。

算一下：一个有四个端口的充电站大约需要 360,000 美元的电力电子设备，其中超过 200,000 美元用于电气隔离。要了解一个国家（比如美国）的总成本，请将每个充电器的电力电子设备成本降低 60% 乘以美国 61,000 多个公共电动汽车充电站的多个端口。

对于电动汽车的车载充电器来说，隔离链路不仅增加了成本，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。这就是为什么你永远无法使用 OBC 进行快速充电的原因——成本和尺寸太大，无法将其包含在车内。

这些是我们建议取消电流隔离的主要原因。这样可以节省数十亿美元的资本和能源支出。硬件可靠性将得到改善，因为充电器使用的组件数量将减少大约一半。取消电流隔离（即取消充电器硬件的第二、三和四阶段）还将大大减小车载充电器的尺寸，并使其能够处理快速充电（也称为 3 级充电）。这是最高充电级别，可提供 100 kW 或更高的直流电流。

消除隔离环节后，我们就可以采取下一步行动：让车载逆变器为电机供电，用于驱动，同时为电池供电，用于充电。通过让车载逆变器承担双重任务，我们可以将剩余成本再降低一半。

这些都不是新想法。最初的 Tesla Roadster 于 2008 年上市，AC Propulsion 生产的所有产品都成功采用了非电隔离集成充电技术，其中充电功能由逆变器执行。在这些 AC Propulsion 车辆中，标称电池电压约为 400 伏直流电，就像当今大多数电动汽车一样。

可以消除电流隔离吗？

消除隔离链路的要求并不十分复杂或昂贵。特别需要解决两个问题：触电风险以及市电和电池电压之间的兼容性。

首先，让我们看看电击危险。如果同时存在以下三种情况，则可能发生触电：车辆未接地、未接地的车辆通电，并且形成了漏电路径（见图“电击危险”）。例如，如果电池的电解液开始泄漏，在电池和车身之间形成路径，则可能会形成漏电路径。由于所有电动汽车充电系统都包括接地连接，因此只有当接地连接断开或受损时，漏电路径才会成为问题。

所有充电系统（包括车载和车外充电系统）都包含称为安全接触器的组件，这些组件仅在进行各种电子检查后才向电池供电。这些检查包括接地验证，即测试接地连接是否完好。如果接地连接缺失或有故障，则不会向电池供电。

电动汽车充电：1 级、2 级和 3 级

LEVEL 1充电使用标准单相 115 伏交流电作为充电器输入。因此，充电速率限制在 2 千瓦以下。为了完全充电 100 千瓦时的电池，总充电时间约为 80 小时。

目前，大多数电动汽车车主的车库中都配有LEV 2充电器。在美国，Level 2 使用单相 208 或 240 V AC 作为充电器输入；在欧洲，输入功率为 380 V AC，三相。最大充电速率受公用事业服务或车载充电器的电流额定值限制。在 6 kW 下，一夜充电通常可以提供 200 英里的额外续航里程。

LEVEL 3也被称为快速充电或直流充电，使用非车载充电器将三相公用电源转换为稳压直流电，绕过车载充电器直接应用于车辆电池（见图 3）。最大充电速率通常为 50 kW，现在已扩展到约 360 kW。正在开发的充电器将支持高达 600 kW 的充电速率，这意味着每充电一分钟可增加约 30 英里的行驶电量。

对于 2 级充电（例如在家庭车库中），安全接触器位于称为电动汽车供电设备的模块中。EVSE通常大小与大鞋盒相当，可以安装在墙壁或柱子上。对于公共快速充电，安全接触器是硬件不可或缺的一部分。

这意味着，移除电流隔离不会造成电击危险。如果车辆接地，漏电导致车辆底盘处于高电压，则由此产生的接地电流浪涌将立即使充电器中的断路器跳闸。

那么问题就变成了：接地验证是否值得信赖，可以绝对保证万无一失？换句话说，我们能否保证接地电路损坏或受损时，即使接地验证电路中的元件发生故障，也不会通电？从道德和法律角度来看，这种绝对保证都是必要的。除非用能提供净安全性的东西来代替，否则取消现有的安全因素（如电流隔离）是不可接受的。

我们可以做到。只需对充电器电路进行相对简单的修改即可。

这种安全级别可以通过双接地与接地连续性检测相结合来提供（见图解“双接地电路可防止电击”）。这种双接地方法基于（您猜对了）两根接地线。采用这种方案，如果一根接地线断线，另一根接地线可确保车辆仍然接地。为了进一步提高安全性，即使一根接地线完好无损，也会检测到断线并关闭电源。

检测接地线连续性既不昂贵也不复杂。我们中的一位（Rippel）大约在一年前开发了一个原型检测电路。该系统使用两个小型变压器，一个将信号注入其中一条接地线，另一个检测第二条接地线中的信号。如果第二台变压器未检测到信号，则接触器（例如 EVSE 中的接触器）将打开，因此无法通电。使用此电路，即使一个或多个组件发生故障，整个系统仍可保持故障安全。

这种安排确实使充电更加安全。此外，由于两个接地电路相互独立，因此任何单一故障都不会导致两个接地都发生故障。这降低了接地故障的概率：如果单个接地故障的概率为 P，则两个接地都发生故障的概率为P 2。通过增加一个电路来感应两个接地形成一个完整电路，安全性得到了进一步提高；一旦两个接地之一损坏或断裂，电源就会关闭。

如果我们要摆脱电流隔离，消除触电风险并不是我们必须处理的唯一问题。还有电压问题——具体来说，需要防止公用事业的交流线电压和电动汽车电池电压不匹配。

在一种情况下，电压不匹配会成为一个问题——当输入市电电压超过电池电压时。如果发生这种情况，即使是一瞬间，不受控制的电流也会流入电池，可能会损坏电池或导致断路器跳闸。

解决这个问题的办法是使用降压调节器（或降压转换器）。降压调节器的功能类似于降压变压器，不同之处在于它处理的是直流电流而不是交流电流。如果市电的交流电压超过电池电压，降压调节器就会像变压器一样工作，将其降压。与相同额定功率的隔离链路相比，降压调节器的成本不到 10%，功率损耗不到 20%。

公共电动汽车充电的未来

至此，我们希望您能够理解为什么现有的车载和公共电动汽车充电四级方案不必要地复杂且昂贵。四个阶段中的三个可以完全消除。这样将只剩下一个有源整流器阶段，如果需要，后面会有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设备一样高甚至更高的水平，我们将添加一个具有接地连续性检测的双接地。我们将这种改进方法称为直接功率转换。

使用 DPC 方法可以将设备成本降低一半以上，同时将能源效率提高 2% 至 3%。这正是我们在电动汽车革命的这个阶段所需要的，因为它将使电动汽车充电站对运营商来说更实惠，并使得在短短几年内（而不是十年或更长时间）建造数千个这样的充电站成为可能。它还将使电动汽车对那些因充电基础设施薄弱而拒绝购买电动汽车的人更具吸引力。

现在是时候简化电动汽车充电过程并使其更具成本效益了。但如果技术界不讨论电流隔离，这肯定不会发生。所以让我们开始讨论吧！我们坚信，消除隔离链路应该是迈向电动汽车转型迫切需要的强大充电基础设施的第一步。

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