重型卡车兆瓦级充电系统的验证

核心要点

• 兆瓦级充电首先是一个控制问题，因为在单次卡车充电过程中，电缆冷却、功率模块共享和电网限制都会相互影响。
• 电网接入容量取决于卡车集中的到站情况，因此储能和电力共享需要与充电桩本身受到同等程度的审查。
• 控制器和功率硬件在环 测试能在通电前揭示故障行为，此时修复问题只需修改模型，而非更换连接器。

在现场通电之前，若已通过在真实的卡车和电网条件下对充电器控制系统进行验证，则兆瓦级充电系统的验证即告成功。

2024年，全球电动卡车销量在一年内增长近80%后突破9万辆，而长途运输车队需要在司机休息期间为这些卡车补充电量。这一需求使得单台充电桩的功率超过1兆瓦，此时电缆加热、冷却液流量和馈线容量会同时成为设计限制因素。 在已建成的站点上，无法了解这些限制条件之间的相互作用，因为任何失误都可能导致变压器停电或连接器损坏。

更稳妥的做法是首先将兆瓦级充电视为一个控制问题。一旦控制器经过数百次充电会话、弱馈线和故障情况的测试，功率级、冷却回路和电网接口就能表现出可预测的行为。通过实时仿真 和硬件在环测试，您可以在土建工程完工前数月就获得这些经验。尽早进行验证的团队在进入调试阶段时，最棘手的问题往往已经得到解答。

兆瓦级充电系统的设计目标

兆瓦级充电系统（通常简称为 MCS）是一项专为重型卡车、公交车及其他大型电池动力车辆设计的直流充电标准。该标准规定采用单一连接器、液冷电缆以及通信链路，其设计能力足以在短暂停留期间向单个电池组输送数兆瓦的电能。

假设有一辆长途牵引车，在30分钟的休息停靠期间需要补充400千瓦时电量。这意味着整个充电过程的平均功率为800千瓦，而峰值功率会更高，因为随着电池组电量逐渐增加，充电功率会逐渐降低。如果使用额定功率为350千瓦的乘用车充电桩，完成同样的充电任务需要超过一个小时。这样一来，这辆卡车就会错过一个配送时段。

设计目标是由驾驶员工时规定和货运时间表所确定的时间预算。该标准中的其他所有内容均以此预算为基础，包括更高的电压上限和更大的进气口。

MCS充电系统的工作原理：从并网到卡车充电口

MCS充电技术的工作原理是将中压电网电力转换为受控直流电，然后通过液冷电缆输送，同时充电器与卡车每秒进行多次限值交换。卡车的电池管理系统提出电流需求，充电器则在自身的热和电气限制范围内响应该需求。

典型的站点通过变压器将中压降压，在中央配电柜中进行整流，然后向为各加注机供电的隔离直流换流器 供电。一旦连接器锁定，双方将进行绝缘检测，对电缆进行预充电以匹配电池组电压，并分阶段提升电流。 触点内的温度传感器会持续报告数据，因此一旦某根触针过热，充电器将立即切断电源。每个步骤都包含带有时间限制的控制握手过程，只有当上游设备响应缓慢时，这些限制才会触发故障警报。

重型车辆中MCS与CCS的比较

MCS 与 CCS 之间的主要区别在于每个连接器所能承载的电流。CCS（即乘用车采用的组合充电系统）在采用液冷电缆的情况下，最大功率仅为几百千瓦；而 MCS 则通过更大的接触面积和更高的电压范围，可支持数兆瓦的功率。

一个致力于卡车充电技术研究的联盟最近展示了3,000安培的充电电流，这达到了该标准的上限，该标准还允许最高1,250伏的电压。将这两个上限值相乘，即可得出3.75兆瓦，大约是高功率汽车充电器的10倍。

电流才是难点所在。导体中的电阻发热量与电流的平方成正比，因此，承载3,000安培电流的电缆产生的热量是承载500安培电流的同根电缆的36倍。正因如此，冷却液流量、接触温度和降额逻辑才从次要参数转变为主要控制回路。

配备CCS充电口的卡车夜间仍将使用车场充电桩。MCS在需要短暂停留的运输走廊上能够收回成本。

充电器功率级内部的功率变化量是多少兆瓦？

兆瓦级功率使充电器从单个转换器转变为一组协调工作的功率模块。数十个转换器模块在公共直流母线上共享电流，其控制器必须平衡负载、限制纹波，并在电网扰动期间保持稳定运行，同时确保不会中断卡车司机正在等待的充电会话。

设想一台由20个额定功率均为60 kW的模块组成的1.2 MW充电桩。如果其中一个模块在充电过程中发生故障，其余19个模块必须在几毫秒内接管其应承担的充电份额，否则充电卡车会检测到电流突变并终止充电。

碳化硅开关、中压前端和固态变压器都出现在兆瓦级设计中，因为它们能缩小磁性元件的体积并降低损耗。它们还能提高开关速度，从而缩短控制器检测故障所需的时间。这是用铜和钢来换取控制带宽。只有在固件经过极限条件测试后，这种权衡才算值得。

“你是在用铜和钢来换取控制带宽。”

为何卡车的运行周期决定了并网容量

卡车的运行周期决定了并网容量，因为兆瓦级用电时段往往呈集群状出现。货运调度会安排多辆卡车在同一小时内抵达同一地点，而馈线必须满足这些用电时段的重叠需求，而该需求远高于该地点的平均负荷。

以一个设有6台额定功率均为1 MW的配电柜的走廊式场址为例。日均负荷为1.5 MW，但其中隐藏着一次换班期间的用电高峰，该时段的用电量在20分钟内会达到近6 MW。如果根据平均负荷来选型变压器，会导致车辆供电不足；而如果根据峰值负荷来选型，则会导致昂贵的容量在一天中的大部分时间处于闲置状态。

电池储能和加注机之间的电力共享填补了这一缺口。缓冲电池在车辆到达间隙缓慢充电，并在车辆集中到达期间放电，从而允许以较低的额定功率进行连接。此时，站点控制器便成为一个小型微电网控制器，但其自身也面临稳定性问题。

农村地区供电线路容量不足会导致电压骤降和闪变。电力公司会在批准并网之前，要求提供相关研究报告，以说明该站点在故障和快速负荷变化期间的运行情况。

兆瓦级充电桩在站点通电前是如何进行测试的

兆瓦级充电器的测试分阶段进行，从仿真 开始，最终过渡到全功率硬件测试。控制器硬件在环测试将真实的充电器控制器连接到模拟的功率级、卡车电池和电网，因此工程师无需实际兆瓦级设备即可运行数千次测试和故障模拟。

实时仿真器能够以足够快的速度求解电网馈线、转换器模块和电池组模型，以至于控制器无法将其与实际系统区分开来。OPAL-RT的实时电网和电池模型正是以此方式被用于研究MCS充电器的控制策略，使其在无需事先建设兆瓦级测试场的情况下，就能在真实的卡车和电网条件下进行测试。 功率硬件在环 随后添加一个放大器，使真实的功率模块能够与模拟的馈线进行能量交换。一份有效的测试计划应涵盖以下情况。

• 卡车与充电桩之间的通信超时和消息格式错误
• 在满载运行期间发生一个功率模块故障
• 冷却液泵故障及触点过热导致的功率降额
• 电网电压下陷、频率波动和馈线故障
• 几辆卡车同时抵达，而备用电池电量已接近耗尽

早期验证对兆瓦级充电项目意味着什么

“早期验证意味着，第一辆在贵处充电的卡车，就是贵方控制系统处理的第1000次充电会话。”

那些在仿真 中验证了其控制行为的兆瓦级充电程序，会在调试阶段用于确认结果；而跳过这一步骤的程序，则会在全功率运行时花费时间排查问题。

兆瓦级充电的物理原理已十分清楚。一个运行顺畅的站点与一个问题频发的站点之间的区别，在于团队排练过多少种棘手的情况——从弱馈线上放置冷敷包，到夏季高温下电缆额定值降低等。耐心、可重复的测试对保障设备运行时间的作用，远胜于任何单一的硬件选择。此外，重复模拟故障的成本也远低于更换一个连接器。

OPAL-RT通过实时仿真 支持这种模拟演练，使充电桩控制系统在混凝土浇筑之前，就能提前应用于逼真的卡车和电网场景中。从最令您担忧的控制场景入手，如实建模，并让模拟结果指导现场设计。驾驶员不会察觉到这些工作。他们看到的将是一个首次尝试就能启动的充电桩。