[论文解读] Review of Electric Vehicle Charging Technologies, Configurations, and Architectures

Sithara S. G. Acharige, Md Enamul Haque+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2022

Advanced Battery Technologies Research被引用 7

一句话总结

本文全面综述了电动汽车（EV）充电技术、配置和系统架构，分析了交流/直流充电系统、转换器拓扑结构、电池技术以及电网连接标准。文章识别出电网集成中的关键挑战，并提出了先进的控制策略和标准化架构，以提高充电效率、降低电能损耗并支持电网稳定。

ABSTRACT

Electric Vehicles (EVs) are projected to be one of the major contributors to energy transition in the global transportation due to their rapid expansion. The EVs will play a vital role in achieving a sustainable transportation system by reducing fossil fuel dependency and greenhouse gas (GHG) emissions. However, high level of EVs integration into the distribution grid has introduced many challenges for the power grid operation, safety, and network planning due to the increase in load demand, power quality impacts and power losses. An increasing fleet of electric mobility requires the advanced charging systems to enhance charging efficiency and utility grid support. Innovative EV charging technologies are obtaining much attention in recent research studies aimed at strengthening EV adoption while providing ancillary services. Therefore, analysis of the status of EV charging technologies is significant to accelerate EV adoption with advanced control strategies to discover a remedial solution for negative grid impacts, enhance desired charging efficiency and grid support. This paper presents a comprehensive review of the current deployment of EV charging systems, international standards, charging configurations, EV battery technologies, architecture of EV charging stations, and emerging technical challenges. The charging systems require a dedicated converter topology, a control strategy and international standards for charging and grid interconnection to ensure optimum operation and enhance grid support. An overview of different charging systems in terms of onboard and off-board chargers, AC-DC and DC-DC converter topologies, and AC and DC-based charging station architectures are evaluated.

研究动机与目标

• 分析当前电动汽车充电技术的现状及其对电力系统运行的影响。
• 评估国际电动汽车充电及电网连接标准，以确保兼容性和安全性。
• 研究先进转换器拓扑结构和控制策略在提升充电效率方面的作用。
• 识别将高比例电动汽车接入配电网所面临的技术挑战。
• 提出一种面向未来电动汽车充电架构的框架，以支持电网支撑和可持续发展目标。

提出的方法

• 对现有电动汽车充电系统（包括车载和非车载充电器）进行系统性综述。
• 评估电动汽车充电站中使用的AC-DC和DC-DC转换器拓扑结构。
• 分析基于交流和基于直流的充电站架构在可扩展性和效率方面的表现。
• 回顾国际标准（如IEC、CCS、CHAdeMO）在充电协议和电网连接方面的规定。
• 评估用于优化功率流动和最小化电网扰动的控制策略。
• 综合分析配电网中与负荷需求、电能质量和网络规划相关的技术挑战。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前电动汽车充电系统的配置和架构有哪些？它们在效率和可扩展性方面有何差异？
• RQ2 不同的转换器拓扑结构（AC-DC、DC-DC）如何影响充电性能和系统损耗？
• RQ3 国际标准在确保电动汽车充电系统互操作性和电网兼容性方面发挥什么作用？
• RQ4 将高比例电动汽车接入配电网所面临的主要技术挑战是什么？
• RQ5 如何通过先进的控制策略提升电网支撑能力并改善电动汽车充电系统的效率？

主要发现

• 基于交流的充电系统应用广泛，但因多次转换环节导致损耗较高。
• 直流充电站具有更快的充电速度并减少损耗，因此更适合高功率应用场景。
• 采用优化转换器拓扑结构的非车载充电器可显著提升系统效率和电能质量。
• 标准化充电协议（如CCS和CHAdeMO）对于实现互操作性和电网集成至关重要。
• 高比例电动汽车接入会增加负荷需求和电能质量问题，因此需要先进的电网支撑策略。
• 基于智能充电和车网互动（V2G）概念的控制策略可减轻电网影响并增强系统稳定性。