隨著重型或商用車輛的電氣化，為比電動乘用車更大的電池充電變得必要。由于時間就是金錢，特別是在物流領域，分配空閑時間進行充電或增加充電功率是首選方案。這導致了三種不同的充電方案。
用例一：車隊運營和停車場充電
電池的現代技術和尖端的功率半導體解決方案允許設計高效的基礎設施。圖1描述了公交車隊的停車場充電的現代版本。
圖1.配備充電基礎設施的現代公交停車場
停車場充電是當地車隊運營的首選方案，尤其是公共汽車和任何類型的送貨車輛。它們在相當固定的路線上運行，并在夜間閑置數小時。
這伴隨著對充電電源的需求減少以及能源管理方面的更多選擇。包括固定電池，將公共汽車的充電時間與能量過剩的時間脫鉤成為一種選擇。
當今常見的電池電動巴士的電池容量在250到500kWh之間，使它們能夠在不充電的情況下運行一班。停車場的充電機只需為一輛車充電一夜。即使在6小時內充電80%的500kWh的情況下，70kW的功率也足夠了。當然，對于整個停車場來說，這要乘以同時要充電的車輛數量。
充電機的典型原理圖包括一個可以適應直流母線電壓的輸入級、一個電氣隔離級和一個輸出整流器，如圖2所示。
圖2.雙向充電器原理圖和推薦元件
充電機通常采用模塊化方法從子系統中構建，這些子系統可以堆疊在一起以增加輸出功率。常見設計每個子系統的功率為15-60kW，元件的選擇因輸出功率要求和冷卻偏好而異。雖然在10到15kW范圍內強制風冷的裝置廣泛采用分立器件制造，但功率水平較高的裝置使用液體冷卻，并且大多由電源模塊構成。
并聯裝置是增加輸出功率的一種選擇。該技術也可用于形成冗余。這樣，在單個模塊發生故障時，系統可以在較低的功率下運行，而不會丟失整個系統。
停車場充電也為二級電網服務打開了大門。固定儲能有助于減少電網的負荷，在高能源需求時甚至可以支持電網。負載平衡和定時充電也成為一種選擇。充電時間可以與晚間能源過剩的時間段相匹配，在此期間相應的能源價格較低，甚至為負。
在有固定時間表的車隊中，并非所有車輛都必須同時充滿電。即使在車輛之間共享能量也是可能的，那些未計劃投入使用的車輛也可以貢獻其存儲的能量。從整體上看，作為較大工業區的倉庫也可以成為太陽能發電站。
用例二：機會充電
沿著預先確定的路線運營車隊，可以通過更頻繁地添加少量能量來擴展行駛里程。這就是所謂的機會充電，如果它以完全自動化的方式進行，效果最好。
對于這種充電方式，我們推薦了兩種解決方案。
受電弓是一種機械系統，允許大型電觸點移動更遠的距離并安全地接觸它們的對應物。受電弓是一種經過驗證的可靠技術，廣泛用于有軌電車和鐵路應用。根據安裝位置，受電弓可以分為自上而下和自下而上的系統。自下而上的系統安裝在車輛上并與車站聯系，而自上而下的機裝置是車站的一部分，向下下降到車輛上。圖3給出了如何設置受電弓充電的示例。
基礎設施的建設仍然局限于路邊。因此，如果當地有合適的電源，可以建造這樣的設施作為對現有站點的升級。由于這種情況很少見，因此通過電池存儲對充電站進行緩沖是一種廣受歡迎的解決方案，可將車輛的大功率充電與固定電池的充電分離。其通常應用125-250kW的功率水平。
圖3.用于機會充電的自上而下受電弓
在充電過程開始之前，充電站和車輛的電池管理系統之間的充電電壓和電流是一致的。由于涉及大功率，通過受電弓充電始終是直接接入車輛電池的直流充電。
對于未來的安裝，受電弓被認為是推薦的解決方案，特別是對于自動駕駛汽車，因為不涉及需要精確處理的插頭或電線。該系統可以輕松處理不同高度的車輛，并且可以在構造上允許車站和車輛之間的錯位。
無線電力傳輸(WPT)在智能手機等移動設備中也很流行，可以升級功率以滿足大規模能量傳輸的需求。SAE J2594中詳細描述了車輛規模系統的無線電力傳輸。無線充電系統本質上由兩個獨立的部分組成，它們通過磁通量交換能量。為了避免過多犧牲傳輸效率，SAE J2594設定了傳輸效率至少達到80%的目標。為了滿足這一要求，可以使用如圖4所示的串聯補償諧振電路，工作在80-140kHz的頻率范圍內。
需要考慮多種輸入整流器拓撲，包括作為成本優化解決方案的靜態二極管整流器或基于晶閘管的版本。Vienna整流器是一種常見的解決方案，其EMI性能出色、減少了濾波所需的工作量以及可調節的直流母線電壓。根據標準要求，需要使用80至140kHz的高開關頻率來驅動發送線圈，可以考慮將具有低開關損耗的IGBT或碳化硅MOSFET用于DC-DC轉換級。
感應充電機需要安裝在車輛可以經過的地方。與受電弓相比，這對基礎設施的影響更為嚴重，尤其是在公共交通方面。因此，感應充電主要適用于半公共區域。例如，機場的行李手推車可以受益于無線電力傳輸，因為功率水平、所涉及的能量和地形條件適合使用情況。
圖4.串聯補償的諧振WPT設置
用例三：個人長途運營
像長途物流一樣，在隨機路線上行駛需要單獨的大功率充電，類似于今天的加油站。這種大功率充電需要成為現有基礎設施的一部分，以便將電動卡車無縫集成到移動領域。
使用高達1500V的直流電壓和高達3000A的最大充電電流，以超過2MW的速率充電成為可能。
在2MW充電時，可以在大約15分鐘內提供500kWh的電量，再行駛300km，這完全可以滿足駕駛員為遵守法律要求而必須做的休息時間。然而，高達400V的城市低壓三相電網不支持這種功率水平。
在這種情況下，需要將由中壓系統供電的本地電源作為先決條件。盡管通過固定電池進行緩沖是一種潛在的選擇，但存儲容量將變得相對較大。
必須從中壓變壓器開始工作，這為兆瓦級充電機帶來了一個有希望的選擇。與其擴大用于為乘用車充電的結構，不如遵循電解中使用的成熟方案。圖5描述了相關的大功率設置。
圖5.采用B12C的大功率充電拓撲，也稱為B6C-2P
這種方法僅具有單級能量轉換，將電氣隔離級從較小的單個轉換器替換為中壓變壓器，可將功率轉換級的效率提高到99%以上。同時，它最大限度地減少了每千瓦安裝的數量，并且由presspack元件構建的組件減少了空間需求。
當進入兆瓦級時，基于晶閘管的解決方案將卓越的效率與壓裝器件前所未有的壽命和可靠性結合在一起。
這種基礎設施系統需要大量的運行周期，并對服務時間提出了特別的期望。兩者都需要在設計階段的早期階段加以考慮。盡管拓撲和技術可能看起來已經過時，但更高的效率以及更低的成本和更少的空間要求使其成為顯而易見的選擇。當未來的自動駕駛商用車需要更高的額定功率以進一步減少充電時間時，這一點將尤其重要，因為司機不需要休閑休息。
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