车载充电器为何被刻意设计得很小?

电动车在家的充电速度并非由墙上的充电桩决定,而是由车内维持在7-22 kW区间的车载充电机决定.
电动车在家的充电速度并非由墙上的充电桩决定,而是由车内维持在7-22 kW区间的车载充电机决定.

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决定电动车家用AC充电速度的并不是墙上的充电桩,而是车内的车载充电器 (onboard charger);这一装置被有意设计在7-22 kW这一较窄的功率区间内,因为快充的主要负担由充电站侧的DC转换器承担.本文从电力电子层面解释OBC的功能、它为何设计得如此小巧,以及DC快充如何将其旁路.

要点速览

  • AC充电时输入电池的功率,取充电桩最大输出功率与车辆车载充电器功率两者之间 的较小值.
  • 典型的OBC功率等级 分为7 kW、11 kW和22 kW .
  • 车载充电器的设计目标通常 轻于5 kg 且结构紧凑.
  • DC快充时AC-DC转换在充电站完成;OBC被旁路,直流电直接进入电池.
  • DC快充的峰值功率 在50 kW至250 kW以上 之间变化.

车载充电器到底是什么,又起什么作用?

民间俗称"充电器"的壁挂式充电桩,从技术上讲并非充电器;它们被称为电动汽车充电设备,即EVSE.真正的充电器在车内:车载充电器将来自电网的AC功率转换为可存储于电池的DC功率.除此之外,它还调节电压、与充电设备通信,并持续监测电池状态.

墙式充电桩的角色则更为有限:与车辆通信、确定电缆可承载的最大电流以及OBC可接受的最大电流、在电缆未连接时切断电源,并在故障时断开电路.也就是说,墙上的盒子是一个安全和连接单元;转换工作由车辆完成.这一区别是所有充电速度讨论的出发点.

为什么AC充电速度由车辆决定?

车载充电器是AC充电速度的主要限制因素.输入电池的电压和电流由它自行决定并自行调节.无论充电桩提供多大功率,OBC都不会接受超过自身额定功率的功率:额定功率为7.2 kW的车辆,即使连接到可提供80 A、19.2 kW的充电桩,仍然只会以 7.2 kW的功率充电.

实际上,AC充电功率取决于四个限制中的最低值:电缆、车辆的车载充电器、到达插座的相数以及供电.功率计算很简单:电压×电流.240 V×30 A约为7.2 kW;48 A时该值可达到11.5 kW左右.此外,每辆车都有两个不同的功率值:较低的AC功率和较高的DC功率.这两个数值的差异,正是架构被划分为两条独立转换路径的直接结果.

功率等级:为什么7、11和22 kW区间如此普遍?

市面上的AC功率等级分为三档. 7 kW 是单相家用环境的标准, 11 kW 是三相家用和小型商业场所的选择, 而22 kW 则是三相连接所能提供的最快AC选项.仅以功率计算,11 kW比7 kW快约57%;这意味着夜间充电时可节省约三到四个小时.

功率等级使用环境充满电时间(约)
7 kW单相住宅整夜充电
11 kW三相住宅 / 小型商业5-6小时
22 kW三相,最快的交流充电2.5-3小时

突破这一界限取决于制造商的选择:像日产LEAF这样常见的车型认为7.2 kW的车载充电器已经足够,而Lucid Air则凭借19.2 kW的车载充电器超越了这一区间.不过,22 kW交流充电站的普及仍受限于三相基础设施的需求和官方认证;也就是说,基础设施也决定了天花板.

DC快充如何绕过车载充电器?

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在DC快充(DCFC)中,AC-DC转换不是在车内而是在充电站完成.转换后的DC不经过车载充电器,直接为电池供电;在这种模式下,车辆通过电池管理系统(BMS)来管理整个过程.被归类为Mode 4的DC充电设备正是执行这一跳跃式工作.

因此,在DC快充中,功率水平很大程度上仅受充电站限制:峰值功率从50 kW到250 kW以上不等.转换不搬上车内的架构逻辑也在于此:充电站的转换电子设备可以比车辆所能承载的大得多、强得多.车辆不必每次都随身携带笨重的转换硬件.

车载充电器为什么被刻意设计得小?

EV的载重和空间都是有限的;车载充电器通常被设计得 轻于5 kg 且紧凑.突破这一限制会同时放大三项成本:

  • 成本: 更高容量的车载充电器直接增加车辆成本.
  • 重量和体积: 每增加一公斤,对续航和布局而言都是直接的惩罚.
  • 热管理: 高功率意味着需要管理更多的热量;车载充电器采用风扇或液冷系统设计,良好的散热对控制温度至关重要.

在工程层面也有缩小尺寸的方法:多功能充电器共享散热器可以缩小整体尺寸.先进半导体技术可以改善功率密度和效率之间的权衡,但代价是需要栅极驱动设计、更谨慎的热路径和先进的磁性元件.也就是说,小型化并非"免费";每一项收益都要在另一个工程领域付出代价.

800V架构会改变这一格局吗?

800V架构是涵盖电池包、DC-DC转换器和车载充电器的系统性决策;它通过在较低电流下提供更高的充电功率来促进超快充电,可将10%-80%区间缩短至20分钟以内.据称,在合适的充电站,以200 kW以上的功率约20-30分钟即可达到80%;该架构可支持高达350 kW的充电速度.

需要注意的细微差别是: 800V 带来的速度优势体现在直流侧.在交流和家用充电中, 800V 架构并不能提供优势; 因为交流侧的上限仍然由车载充电机的额定功率决定.甚至有些双向家用充电桩能够管理 400V 电池, 却无法管理 800V.400V 车辆连接到 800V 桩时被限制在 400V 输出, 也是同一逻辑的另一面: 限制永远来自较窄的一侧.

慢速交流充电对电池更温和吗?

不应把小尺寸车载充电机视为缺陷.交流充电虽然慢, 但这种缓慢有助于在整个车辆寿命期间保持电池健康; 夜间家用充电是电池承受压力最小的充电模式.直流快充的速度优势毋庸置疑, 对长途出行不可或缺, 但在日常使用中, 交流侧的充足性也是毋庸置疑的.

此外, 了解低功率充电存在一个实际的限制也很有用: 有些车辆在充电期间系统保持开机状态每小时会消耗 100-200 W.这种消耗会使设定在极低功率下的充电不成比例地变慢; 也就是说, 决定充电过程的不仅是车载充电机的下限, 车辆自身的固定负载也在塑造充电曲线.

结论: 小型车载充电机是合理的负载分工

车载充电机的小巧并非不足, 而是一种架构决策.交流充电的上限由车辆决定, 直流充电的转换则转移到充电桩, 车辆只保留数据与控制部分.7-22 kW 区间的车载充电机在保持重量、成本和热负载合理的同时, 真正的速度需求由基础设施侧的巨型转换器来满足.这正是我们读取一辆电动车的充电参数时会看到两个不同数字的原因: 一个是车内小巧但持续工作的单元, 另一个是充电桩上庞大但绝不会安装在车上的功率.

参考资料