電動車充電太複雜了。這裡有解決方法

如果我們現在能做一件事來加速電動車的轉型，那就是：建立一個強大的公共電動車充電基礎設施。雖然媒體一直關注車輛的性能和續航力，但消費者一直很清楚，他們希望電動車能做到舊車所能做的一切，包括長途旅行。

對於那些還沒有擁有電動車的人來說，強大的基礎設施似乎不是那麼重要。畢竟研究顯示，在發達市場中，90%的充電都是在家裡進行的。然而，剩下的充電比例卻是至關重要的。送貨卡車和計程車的司機、公寓大樓的居民、上大學的學生、度假的家庭以及無數其他人都發現，當公共充電設施稀少或不可靠時，駕駛電動車可能會很困難。例如，2022年《福布斯》的一項調查顯示，62%的電動車車主對電動車的續航力感到焦慮，曾經因此縮減了旅行計劃。

這對政策制定者來說並不陌生。國際能源署最近的一份簡報指出，在中國，投資充電基礎設施被認為對電動車的成功比給電動車買家提供補貼有效四倍。

這些問題我們已經掙扎了幾十年。早在1992年，我們共同創立了AC Propulsion，推出了tZero，這是一款高性能的電動跑車，其基本技術和設計後來被納入了最初的特斯拉跑車。這些年來，我們思考了很多如何製造人們真正想擁有和駕駛的車輛。

當我們詢問潛在的電動車車主，什麼限制了電動車的普及時，他們經常提到充電站的有限訪問，特別是快速公共充電。擁有這些充電站的運營商也這麼說，他們還提到設備的高成本——一個擁有四個端口的直流快速充電站的成本在47萬到72.5萬美元之間。如果設備成本更低，他們表示會安裝更多的充電站。這可能形成一個良性循環：充電業務會更好，電動車車主會受益，更多人會考慮購買電動車。

問題是，電動車充電能否以更經濟和高效的方式進行？更具體地說，是否有辦法簡化充電站的複雜性，降低快速充電站的高成本，並在不犧牲安全的情況下顯著提高電動車的普及率？

電動車充電是如何工作的

在解釋我們的解決方案之前，讓我們先回顧一些基本知識，從最基本的開始。充電站是一個物理位置，擁有一個或多個充電端口，每個端口可以為一輛電動車充電。每個端口可能有多種服務連接器，以支持不同的電動車標準。

端口的功能是將來自電網的交流電轉換為直流電，然後應用於電池。充電電流必須受到控制，以確保始終滿足以下標準：電池單元的電壓不得超過臨界限制；單元的溫度不得超過預設的閾值；從電力公司抽取的電流必須保持在某個值以下。如果前兩個條件不滿足，單元可能會損壞或著火。如果第三個條件不滿足，充電器或電力公司可能會過載，導致斷路器跳閘或保險絲熔斷。

除了這些要求外，充電器還必須保護用戶免受電擊。這並不總是容易。充電器通常在惡劣的環境中運行，通常是在戶外，濕度變化很大，並且可能存在被污染的水。設備也可能受到損壞或甚至被破壞。

防止電擊的傳統方法是使用電氣接地。接地就是直接與大地連接，為電流提供一條路徑。當這樣的路徑存在時，雜散電流（例如在底盤中）會直接流向地面，避免任何可能靠近的人。如果正在充電的電動車，充電電纜中的綠色接地線成為接地的路徑。（因為電動車有橡膠輪胎，車本身無法作為路徑。）

如果這樣的路徑不存在會發生什麼？如果電動車充電器的接地連接被破壞或受到損害，充電端口必須有備用解決方案。今天，這個解決方案稱為電氣隔離。在電氣隔離中，某些電氣系統的部分之間不允許有直接導電路徑。

充電器的電氣隔離硬件稱為隔離連接，通過物理和電氣分隔兩個電路來工作，這樣一來，電位差不會導致電流從一個電路流向另一個電路。在電動車充電的情況下，這兩個電路分別是電網和電池及其相關電路。

這種隔離可以說是救命的。假設電動車的電池漏液。漏出的液體是導電的，因此可以在電池電路和車輛底盤之間產生電流路徑。如果接地電路恰好被破壞，那麼在沒有隔離的情況下，車輛的底盤將處於高電壓。因此，站在地面上的人觸摸車輛時可能會受到致命的電擊（見插圖“電擊危險”）。有了隔離，就不會有電擊危險，因為電力公司和車身之間不會存在電流路徑。

唯一可以在傳輸千瓦級電力的兩個電路之間提供分隔的元件是變壓器。直接連接到低頻電力的變壓器通常又重又大。但對於電動車充電來說，變壓器要小得多——甚至不到標準建築磚的一半大小。這是因為充電站將直流電轉換為高頻交流電，使用逆變器。然後將高頻交流電應用於小變壓器，提供電氣隔離。最後，變壓器的輸出通過高頻整流電路轉換回直流電，完成這個過程（如“隔離連接…”插圖所示）。

我們將在下一部分深入探討這個電力轉換的細節，但這讓你了解了今天在公共充電器或家庭車庫中使用車輛的內置充電器進行安全充電的方式。

電氣隔離的成本很高

幾乎每輛電動車都有一個內置充電器（OBC），當車輛在家充電時，它執行交流電轉直流電的轉換功能，就像公共快速充電器一樣。顧名思義，OBC位於車輛內。根據車輛的品牌和型號，它能為電池提供約5到22千瓦的功率。這樣的充電速度與公共充電器提供的快速充電相比，通常只有50千瓦起，最高可達350千瓦。

今天，所有充電器——無論是內置的還是外部的——都是電氣隔離的。電氣隔離集成在電力轉換硬件中，無論是在車內還是在公共充電器中。

一個公共充電站的300千瓦端口包括約90,000美元的功率電子設備，其中約54,000美元是用於隔離連接。

電動車充電器的硬件基本上是為你的智能手機或筆記本電腦充電的開關電源的更大和更高功率版本。之前，我們給出了電動車電力轉換的基本概念，但實際上比這更複雜。對於電動車，電力轉換分為四個階段（插圖“電擊危險”）。在第一階段，交流電（單相或三相）由主動整流器轉換為直流電。在第二階段，第一階段的直流電由一個稱為逆變器的電路轉換為高頻交流方波（想像一下經典的正弦波，但形狀是方形的，而不是波浪形的）。這種高頻的原因是，在第三階段，變壓器將交流電轉換為不同的電壓，而高頻使這個變壓器比低頻（如電網的頻率）小得多。最後，在第四階段，高頻整流器將高頻交流電轉換回直流電，然後發送到車輛的電池。第二、第三和第四階段共同構成了隔離連接，提供電氣隔離（見插圖“隔離連接將電力網與電動車電池分開”）。

這個隔離連接非常昂貴。它大約占典型電動車功率電子設備成本的60%，並且還負責約50%的充電器的功率損耗。我們估計，電氣隔離充電端口的材料和組裝成本約為每千瓦300美元。因此，一個公共充電站的300千瓦端口包括約90,000美元的功率電子設備，其中約54,000美元是用於隔離連接。

算一算：一個擁有四個端口的充電站包括約360,000美元的功率電子設備，其中超過200,000美元用於電氣隔離。要了解一個國家的總成本，比如美國，將每個充電器的功率電子設備的60%成本降低，乘以美國超過61,000個公共電動車充電站的多個端口。

對於電動車的內置充電器，隔離連接不僅增加了成本，還增加了體積。充電能力越高，隔離系統的成本和大小就越大。這就是為什麼你永遠無法用內置充電器進行快速充電——成本和大小都太大，無法放在車內。

這些都是我們建議消除電氣隔離的主要原因之一。可以節省數十億美元的資本和能源開支。硬件的可靠性將提高，因為充電器將使用約一半的組件。消除電氣隔離——也就是說，消除充電器硬件的第二、第三和第四階段——還將大大減少內置充電器的大小，並使其能夠處理快速充電，也就是所謂的三級電力。這是最高的充電水平，提供100千瓦或更多的直流電流。

特斯拉汽車在2006年於聖塔莫尼卡推出了其電動跑車。

隨著隔離連接的消除，我們可以進一步發展：讓車輛的內置逆變器為電動機供電以駕駛，並同時為電池充電。通過讓車輛的逆變器雙重使用，我們將再次減少剩餘成本的一半。

這些都不是新想法。2008年上市的原始特斯拉跑車和AC Propulsion製造的所有產品都成功使用了非電氣隔離的集成充電，其中充電功能由逆變器執行。在那些AC Propulsion車輛中，名義電池電壓約為400伏直流電，與今天大多數電動車相同。

能否消除電氣隔離？

消除隔離連接的要求並不複雜或昂貴。特別需要解決兩個問題：電擊的風險和電力公司與電池電壓之間的兼容性。

首先，讓我們看看電擊危險。如果同時存在三個條件，就可能發生觸電：車輛未接地，電力施加到未接地的車輛上，並且形成了電流洩漏路徑（見插圖“電擊危險”）。如果電池的電解液開始漏出，形成了電池與車身之間的路徑，則可能會創建一個洩漏路徑。由於所有電動車充電系統都包括接地連接，因此洩漏路徑只有在接地連接被破壞或損壞時才會成為問題。

所有充電系統，無論是內置的還是外部的，都包括稱為安全接觸器的組件，這些組件在進行各種電子檢查後才會將電力施加到電池上。這些檢查包括接地驗證，測試接地連接是否完好。如果接地連接缺失或故障，則不會將充電電力施加到電池上。

對於二級充電——例如在家庭車庫中——安全接觸器位於一個稱為電動車供電設備的模塊中。EVSE通常大小如大鞋盒，可以安裝在牆上或柱子上。在公共快速充電的情況下，安全接觸器是硬件的組成部分。

這意味著，消除電氣隔離不會造成電擊危險。如果車輛接地，並且洩漏導致車輛底盤處於高電壓，則流向地面的電流激增會立即跳閘。

所以問題變成了：接地驗證能否被信任為絕對安全？換句話說，我們能否保證在接地電路被破壞或損壞的情況下，電力永遠不會施加——即使接地驗證電路內的元件發生故障？這種絕對保證在道德和法律上都是必要的。消除現有的安全因素，如電氣隔離，是不可接受的，除非用某種能提供淨增益安全的東西來替代。

我們可以做到。這只需要對充電器電路進行相對簡單的修改。

這種安全水平可以通過雙重接地結合接地連續性檢測來提供（見插圖“雙重接地電路防止電擊”）。這種雙重接地方法基於——你猜對了——兩根接地線。通過這種方案，如果一根接地線被切斷，另一根確保車輛仍然接地。為了進一步提高安全性，會檢測到斷開的接地，並關閉電源，即使一根接地線仍然完好。

接地線連續性的檢測既不昂貴也不複雜。我們中的一位（Rippel）在大約一年前開發了一個原型檢測電路。該系統使用兩個小變壓器，一個將信號注入其中一根接地線，另一個檢測第二根接地線中的信號。如果第二個變壓器未檢測到信號，則接觸器（例如在EVSE中）將打開，這樣就無法施加電力。通過這個電路，整個系統在一個或多個元件故障的情況下保持安全。

這種安排使充電變得雙重安全，字面上。而且，由於兩個接地電路是相互獨立的，沒有單一故障可以導致兩個接地失效。這降低了接地故障的概率：如果單一接地故障的概率是P，則兩者同時故障的概率是P2。通過增加一個電路來檢測兩個接地形成完整電路的情況，當其中一個接地損壞或斷開時，電力會立即關閉。

消除電擊風險並不是我們必須解決的唯一問題，如果我們要消除電氣隔離。還有電壓的問題——具體來說，需要防止電力公司交流線電壓與電動車電池之間的錯配。

電壓錯配在一種情況下會成為問題——當輸入的電力公司電壓超過電池電壓時。如果發生這種情況，即使只是瞬間，無法控制的電流也可能流入電池，可能會損壞它或導致斷路器跳閘。

解決這個問題的設備稱為降壓調節器（或降壓轉換器）。降壓調節器在功能上類似於降壓變壓器，不同之處在於它處理直流電而不是交流電。如果電力公司的交流電壓超過電池電壓，降壓調節器就像變壓器一樣運作，將其降低。與同功率額定的隔離連接相比，降壓調節器的成本不到10%，功率損耗不到20%。

公共電動車充電的未來

在這一點上，我們希望你能理解為什麼現有的四階段方案對於內置和公共電動車充電來說都是不必要的複雜和昂貴。四個階段中的三個可以完全消除。這將留下單一的主動整流器階段，然後（如果需要）是低成本的降壓調節器。為了提高安全性到與現有電動車充電設備相同甚至更高的水平，我們將添加雙重接地和接地連續性檢測。我們稱這種改進的方法為直接電力轉換。

使用DPC方法可以將設備成本降低一半以上，同時提高能源效率2%到3%。這正是我們在電動車革命的這個階段所需要的，因為這將使電動車充電站對運營商更具吸引力，並使數千個這樣的站點在幾年內建設，而不是十年或更長時間。這也會使電動車對那些因充電基礎設施不完善而猶豫不決的人更具吸引力。

是時候簡化電動車充電過程，並使其更具成本效益了。但這肯定不會在技術社區中不討論電氣隔離的情況下發生。所以讓討論開始吧！我們相信，消除隔離連接應該是邁向電動車轉型所迫切需要的強大充電基礎設施的第一步。