汽車是我國制造業(yè)中規(guī)模最大的產(chǎn)業(yè)，新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油車是目前看來確定性極高、市場空間極廣的大趨勢，也是我國從汽車大國走向汽車強國的必由之路。而充電樁是新能源汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)充電樁建設(shè)是落實新能源汽車產(chǎn)業(yè)建設(shè)的必要條件。自充電樁被納入“新基建”之后，熱度一度攀升，資本和眾多新角色開始涌入，行業(yè)人士期盼從頂層設(shè)計出發(fā)，規(guī)范充電樁行業(yè)發(fā)展。
大功率直流快充“藍(lán)海”待挖
目前，公共交、直流充電樁的比例保持在6：4左右，交流樁的比例更多，主要是因為在行業(yè)發(fā)展初期，慢充的交流樁依靠著結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本低的特點，非常適合廠商跑馬圈地，因此被廣泛投放以搶占市場，但是在充電樁技術(shù)和市場日漸成熟后，直流樁才是未來公共充電樁的必然選擇。因為直流充電樁的平均充電時長為1小時54分鐘，85%的用戶可以在2.5小時內(nèi)結(jié)束充電，而交流充電樁平均充電時長5小時45分鐘，66.2%的用戶需要5小時以上的冗長充電時間，這兩者將近4小時的時長差距直接決定了車主最明顯的使用偏向。
充電模塊是直流樁的核心設(shè)備，成本占比50%，伴隨技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)規(guī)模的擴大有望進(jìn)一步下降。2019年直流充電模塊成本價格最低降至0.4元/W，為16年的三分之一，14年的五分之一，這極大緩解了充電樁運營商投建直流樁的資金難題，也促進(jìn)了他們建設(shè)更多直流樁的熱情。與此同時，動力電池的快充性能決定了快充樁的天花板，直流快充樁想要發(fā)展，必不可少需要動力電池的配合?，F(xiàn)在的寧德時代、比亞迪等動力廠商電池都在努力提高電池能量密度以加強續(xù)航，2019年新上的純電動乘用車能量密度基本都已經(jīng)超過120Wh/kg，平均續(xù)航里程超過300km。
因此，如果純電動車要解鎖如同燃油車一般的‘快速回血’技能，就必須借助更大功率的充電樁。但功率提高帶來的問題是充電樁尺寸增大、熱管理等問題，要兼顧充電樁尺寸、效率和功率，提高功率器件的開關(guān)頻率非常關(guān)鍵。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓功率MOSFET器件開關(guān)頻率得到快速有效提升，IGBT從過去的20k左右提升到現(xiàn)在40k到50k，而氮化鎵(GaN)和碳化硅(SIC)MOSFET器件可以達(dá)到更高的開關(guān)頻率。
隔離柵驅(qū)動器解鎖大功率直流充電樁
驅(qū)動方式是達(dá)到這些開關(guān)器件所能支持的開關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關(guān)頻率對柵極驅(qū)動器的要求越來越高，采用的柵極驅(qū)動器的傳輸延遲、死區(qū)時間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標(biāo)對提升充電樁功率和效率發(fā)揮著關(guān)鍵的影響。
與傳統(tǒng)的基于光學(xué)隔離式柵極驅(qū)動器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器提供了良好的柵極驅(qū)動特性和隔離性能。傳統(tǒng)光耦合隔離的方式傳輸延時時間長(150-200ns)，而ADI iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器傳輸延時在50-60個納秒左右，并且傳輸延時一致性更好，更低的傳輸延遲和延時一致性對于提高開關(guān)頻率和效率具有重要作用。
此外，隔離柵極驅(qū)動器的死區(qū)時間也是關(guān)鍵特性之一，iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器更低的死區(qū)時間將有效降低損耗。對于大規(guī)模部署的充電樁來說，即使零點幾個百分點效率提升都具有很大經(jīng)濟(jì)和社會效益。ADI ADuM4136隔離式柵極驅(qū)動器可實現(xiàn)150kV/μs的共模瞬變抗擾度，以數(shù)百kHz的開關(guān)頻率驅(qū)動SiC MOSFET，加上去飽和保護(hù)等快速故障管理功能，設(shè)計人員可以正確驅(qū)動高達(dá)1200V的單個或并聯(lián)SiC MOSFET，可以確保充電機在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實現(xiàn)超高的功率密度。
充儲一體式充電樁破局功耗難題
隨著充電樁部署數(shù)量的逐漸增加，電網(wǎng)需要提供的局部充電峰值功率超過1MW，電網(wǎng)可能在多個點上崩潰，或者需要投入巨額資金，改善輸電線路和集中式發(fā)電廠，大幅提高基本負(fù)荷。儲能系統(tǒng)可以簡單而優(yōu)雅地解決這個問題。在未來用電負(fù)荷呈現(xiàn)間歇性特點的背景下，要充電的電動汽車以及太陽能、風(fēng)能等間歇性能源將面臨一些挑戰(zhàn)，比如如何以電網(wǎng)為中心，將能源生態(tài)系統(tǒng)里的這些新興參與者整合起來，提高輸電線路規(guī)格，滿足更高功率峰值需求。
為了使所有實體順利合作并從可再生能源和零排放電動汽車受益，儲能系統(tǒng)必須參與其中，確保我們可以存儲和重用需求低時產(chǎn)生的電能，利用多余的能量來平衡電網(wǎng)負(fù)荷。儲能系統(tǒng)相當(dāng)于電能領(lǐng)域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應(yīng)用當(dāng)中。在住宅應(yīng)用中，很容易將光伏逆變器接入蓄電池，在家存儲和使用能量，或者用太陽白天產(chǎn)生的能量在晚上為汽車充電，利用儲能系統(tǒng)滿足充電樁節(jié)點峰值負(fù)荷需求，確保無需付出高昂成本、升級現(xiàn)有輸電線路。
可再生能源、儲能系統(tǒng)和電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的整合
儲能裝置的首要特征是雙向性，處于電網(wǎng)的低壓端。直流總線電壓為1500V，連接可再生能源、電動汽車充電樁和儲能系統(tǒng)電池。此外，還要適當(dāng)確定儲能系統(tǒng)規(guī)格，確保峰值功率和電能容量之間的比率符合具體裝置的優(yōu)化要求。該比率在很大程度上取決于通過太陽能、風(fēng)能或其他能源在本地產(chǎn)生的電量、充電樁的數(shù)量、接入子電網(wǎng)的其他負(fù)荷以及功率變換系統(tǒng)的效率。
雖然功率變換器是功率變換路徑的基礎(chǔ)，但在儲能系統(tǒng)中，確保最佳總擁有成本的關(guān)鍵組件是電池管理/監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)。為了獲得這些效果，負(fù)責(zé)控制充電站能量流的能量管理系統(tǒng)必須非常準(zhǔn)確地了解儲能電池的SOC和健康狀態(tài)(SOH)。實現(xiàn)精確監(jiān)控的辦法是使用多單元電池監(jiān)控IC。LTC6813是一款多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，可測量多達(dá)18個串聯(lián)連接電池的電壓，并具有小于2.2mV 的總測量誤差。所有18節(jié)電池可在290μs之內(nèi)完成測量，并且可以選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實現(xiàn)高的噪聲抑制。同時可以將多個LTC6813器件串接起來，因而能夠在高電壓電池串中實現(xiàn)電池的同時監(jiān)視。每個LTC6813具有一個isoSPI接口，用于實現(xiàn)高速、具有抗RF干擾能力的遠(yuǎn)程通信。
儲能功率變換系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建面向未來的充電樁解決方案
新能源汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的背后，預(yù)示著充電樁行業(yè)的巨大市場。國務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出要對作為公共設(shè)施的充電樁建設(shè)給予財政支持，因此，在政策的刺激下，2021年公共樁建設(shè)還將繼續(xù)提速。為了應(yīng)對未來的直流快速充電基礎(chǔ)設(shè)施面臨的挑戰(zhàn)，高效功率變換系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)是關(guān)鍵。ADI目前正在積極研發(fā)所有這些子系統(tǒng)，iCoupler 隔離技術(shù)是非常有特色及可靠安全的新型隔離技術(shù)，BMS產(chǎn)品也擁有了對鋰電池管理精度測量的傳統(tǒng)優(yōu)勢，針對未來直流充電樁大功率的需求及高開關(guān)頻率器件的不斷推出，將持續(xù)在該領(lǐng)域扮演重要角色。
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