电动汽车使用BESS直流快速充电器的研究进展：拓扑结构，电池，可靠性导向控制和冷却
研究背景
电动汽车在全球范围内通过各种激励措施进行推广，销量大幅增长。然而，充电时间过长仍然是这些车辆大范围应用和更广泛的交通电气化的一个重大障碍。虽然直流快速充电器有可能显著缩短充电时间，但它们对电网的高功率需求也会导致电能质量问题和拥塞。解决这一问题的方法之一是集成电池储能系统 (BESS)，如图1所示。使用BESS的直流快速充电可以同时通过电网和电池为电动汽车供电，以降低对电网的峰值电力需求。
- 图1. 具有本地BESS的并网直流快速充电器的示意图。图中浅蓝色箭头表示电动汽车连接时的有功潮流方向，浅橙色箭头表示电动汽车充电完成后的有功潮流方向。
基于此背景，来自布鲁塞尔自由大学的Omar Hegazy教授团队在 Batteries 发表了文章，从工业应用的角度，全面回顾了直流快速充电器与BESS耦合的最新研究进展。
研究过程
作者首先对充电系统的架构和拓扑结构进行了详细的介绍。传统的充电系统由电网、AC/DC级和DC/DC级组成。带BESS的直流快速充电站系统架构如图2所示。对于每个阶段，用1到10表示不同的转换类型，由于电池、可再生能源和电网的分隔需求，并非所有配置都是可能的。因此作者也详细介绍了系统的不同部分和可能的拓扑，包括可变直流母线、恒定直流母线、AC/DC转换级拓扑和DC/DC拓扑。
- 图2. 不同情况下具有BESS的直流快速充电器的结构。并非所有的情况都是相互兼容的。
随后，研究从运行成本、可循环性和可靠性等方面对包括二次生命电池在内的电池技术进行了讨论和比较。电力电子转换器 (PECs) 在运行中的任何中断都可能导致重大的经济损失，其失效机制和可靠性设计等主题是提高整个充电器寿命的关键。因此，研究详细讨论了PECs可靠性评估和改进的材料和阶段，重点解释了用于评估和提高PECs整个生命周期可靠性的方法和技术，包括结温测量的方法，如图3所示。
- 图3. 电池热管理的不同冷却方法。
除了被动计算消耗寿命外，作者认为还可以采用主动控制的方法来增加不同电力电子模块和电池组等的老化寿命。例如AC/DC和DC/DC级的低级控制方法，用于改善寿命的低级控制方法以及系统级控制方法，包括改善电池/电力电子设备寿命的数据驱动方法。
最后，研究回顾了电力电子系统 (如图4) 和电池的冷却方法。其中，关于固定式和电动汽车电池冷却方法，作者主要介绍了本地BESS和电动汽车电池的最新冷却方法 (如图5所示) 和提高电池使用寿命的智能充电预处理方法。
- 图4. 不同的电力电子系统冷却方法。
- 图5. 用于电池热管理的不同冷却方法 (空气冷却配置和液体冷却配置)。
研究结论
本文全面综述了采用本地BESS的直流快速充电系统的最新进展。过去的研究已经对常规充电基础设施的机载和非机载应用、标准、各种类型的储能系统 (ESS) 以及控制方法进行了全面的回顾。然而，在学术文献中，对BESS的化学成分、可靠性设计、面向可靠性的低/系统级控制和冷却方法的研究尚未得到充分探讨。本文回顾了各种电池的化学成分，并比较了它们的成本、尺寸和寿命。此外，还提出了各种低/高级控制策略，包括可靠性和面向系统级可靠性的控制策略，这些策略为原始设备制造商 (OEMs) 提供了更低的运营成本。然而，这些策略的有效性取决于冷却系统的效率。因此，本文还探讨了电力电子和电池冷却技术的当前趋势，包括预处理等技术。未来，本文建议研究智能充电管理策略的先进方法，特别是最小化成本和最大化充电系统的使用寿命。此外，另一个潜在的研究领域可能是二次电池的研究，以及它们在固定式电池储能系统应用中面临的实际挑战，如二氧化碳排放、安全问题以及与电池护照 (battery passports) 和多种化学物质相关的问题。
原文出自 Batteries 期刊
Polat, H.; Hosseinabadi, F.; Hasan, M.M.; Chakraborty, S.; Geury, T.; El Baghdadi, M.; Wilkins, S.; Hegazy, O. A Review of DC Fast Chargers with BESS for Electric Vehicles: Topology, Battery, Reliability Oriented Control and Cooling Perspectives. Batteries 2023, 9, 121. https://doi.org/10.3390/batteries9020121
Batteries 期刊介绍
Batteries (ISSN 2313–0105)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。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。
- 2024 Impact Factor: 4.8
- 2024 CiteScore: 6.6