近年来，地面交通部门迫切需要实现脱碳，导致了客运和重型车队车辆的电气化激增。公共充电基础设施的缺乏阻碍了电动汽车 (EV) 的过渡，国道和高速公路沿线的极速充电 (XFC) 是一种潜在的解决方案。然而，基于交流电 (AC) 的传统电网需要进行成本高昂的升级，以维持零星的快速充电负荷。基于此背景，美国克莱姆森大学 (Clemson University) 的Rajendra Singh博士团队提出一种基于光伏 (PV) 和锂离子电池存储 (BESS) 的可持续、低损耗的XFC基础设施，该设施采用了具有高压直流 (DC) 互连的端到端直流电网。这项工作强调了端到端DC电网中拟议用例的损耗减少 (省电) 优势，还评估了中型乘用电动汽车充电和三种重型车队充电场景，以设计组合的XFC负载配置。
图片摘要。
展开剩余86%研究内容全球能源系统正在向光伏和风能过度转型。电池存储技术在这种绿色能源转型中发挥着至关重要的作用。
当今电动汽车市场面临的四大挑战是电动汽车成本上升、续航里程焦虑、充电速度变慢以及充电基础设施缺乏。建立可靠、超低成本的 XFC 网络对于电动汽车的广泛采用至关重要。提出的设计的直流XFC架构中的主要组件如下图1所示。
图1. 拟议的端到端直流快速充电电动汽车基础设施。
基于锂离子技术的BESS在向清洁电气化过渡中发挥着重要作用。由于成本迅速下降和制造工艺的进步，锂离子电池化学技术在BESS市场占据主导地位。为了实现电网的最高能源效率和超低成本电力，端到端直流架构至关重要。图2详细说明了BESS在 高压直流 (HVDC) 和低压直流 (LVDC) 电网中的不同应用。
图2. 锂离子电池储能系统在现有AC电网基础设施与拟议的DC电网中的作用。
为实现HVDC将遥远的光伏和风力发电点与城市和郊区负荷中心 (如XFC站) 进行连接，作者提出了MVDC-HVDC-MVDC转换器概念设计，如图3所示。拟议的XFC充电架构将利用基于碳化硅 (SiC) 的转换器和高频变压器，将PV和电池存储场的低压直流电转换为HVDC输电。
图3. 现有的AC电网HVDC输电系统与配备高效DC-DC转换器的拟议HVDC网络对比。
为了消除地理空间和时间变异性，该研究计划针对美国加利福尼亚州圣地亚哥县卡尔斯巴德市的2030年电动汽车负载情景进行研究，将讨论电动汽车负载和光伏发电场发电的设计概念和规模决策。
图4展示了所有三种类型充电站的综合负荷曲线。对于载客轻型柴油车的负荷，分别生成了周末和周负荷曲线，并随机选择一周进行绘图。由于季节性变化并不会对高清卡车车队造成很大影响，因此本文在负荷模型中排除了这些变量。
图4. 2029年2月随机一周轻型乘用电动汽车 (LEV)、中型乘用电动汽车 (MEV) 和重型卡车车队电动汽车 (HEV) 的模拟充电负荷曲线。
为确保了满足每年电动汽车充电需求的可靠性，研究还加入了温度补偿和最佳倾斜角度计算，以最大限度地提高光伏发电场的产量。图5展示了光伏发电场位置一年中三个不同日照日的每小时辐照度曲线。
图5. 同日照天数的光伏发电场的辐照曲线。(a) 针对ID#2 HVDC连接的Rexford 1 和2发电场；(b) 针对ID #1 MVDC连接的Mount Signal 1、2、3发电场。
DC电网能够满足EV在100% PV利用率下的充电需求，而不会违反其组件的物理极限或丧失系统稳定性。作者评估了DC电网的三种不同用例—即本地LVDC和远距离MVDC和HVDC。计算了累积直流功率流方程和损耗，如图6展示了现有LVAC实践与拟议的LVDC网络拓扑中不同电缆距离的比较图。可以看出，LVDC网络电缆在保持标称5%电压降的同时，电力传输距离增加了近54%。
图6. 三相LVAC与双极LVDC配电损耗与电缆距离的关系 (最大1号充电站每小时电动汽车负荷曲线)。
如图7所示，当距离超过50千米时，33千伏中压直流输电网络的电力传输效率最高。可以看出，随着传输功率容量的减小，直流的潜在功率传输距离变长。在低功率和长距离情况下，交流系统中的容量电流会明显降低效率[79]。此外，MVAC配电效率在91.6%至94.7%之间，直流传输效率在97.4%至98.6%之间。
总结本文提完整开箱即用解决方案。首先，本文根据现有加油站 (或加油泵) 观察到的用户统计数据生成了一个真实的电动汽车负载模型。然后，本研究使用独立于电网的PV和BESS发电以供给生成的负载配置模型。最后，本文对低压、中压和高压直流电网的总系统损耗进行了计算，并将这些直流系统损耗与传统交流电网功率损耗进行比较。与通常的交流情况相比，数学评估结果显示，功率节省了约17–25%，电力节省了近15兆瓦。这一研究清楚地展示了这一直流网络系统巨大的节能效果和功率优势。本研究的未来工作将针对基础设施资源的高级保护和优化，考虑对电动汽车充电方法进行技术经济评估，从而开展进一步研究。
原文信息Powar, V.; Singh, R. End-to-End Direct-Current-Based Extreme Fast Electric Vehicle Charging Infrastructure Using Lithium-Ion Battery Storage. Batteries 2023, 9, 169. https://doi.org/10.3390/batteries9030169
Batteries 期刊介绍主要关注电池和其密切相关学科领域的最新研究成果，包括但不限于锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、金属空气电池、后锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域等。一般主题包括电池电化学、电池系统与应用、电池性能与测试、电池材料、电池安全、电池加工制造、电池建模与控制等。期刊已被Scopus、SCIE、Inspec、Ei Compendex、CAPlus / SciFinder等数据库收录，在WOS中的检索名称为 Batteries-Basel。
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