储能系统推动电动汽车的快速充电基础设施

电动汽车（EV）将获得越来越多的市场份额，最终取代内燃机汽车。直流（DC）快速充电站将取代或整合加油站。可再生能源将用于为它们供电，例如太阳能和风能。人们希望在不到 15 分钟的时间内为电动汽车充电，他们不想排队等待独特的充电桩。

考虑到多个充电桩，电网必须在本地提供的充电峰值功率超过1兆瓦。电网可能会在许多地方崩溃，或者需要巨额投资来改善输电线路和中央发电厂，以提供更高的基本负荷。然而，这种负荷是脉冲性的，必须与太阳能和风能等可再生能源产生的间歇性能量相结合。

储能系统可以用简单而优雅的方式解决这个问题。我们使用汽油或气体等液体来储存能量，并在需要时重复使用（例如，为汽车加油时）。使用相同的原理，我们可以使用电子和化学将电能存储在电池中。然后可以利用该能量来增强电动汽车充电，通过削减功率峰值来保持电网稳定或在停电时提供供应。

移动市场正在发生变化。到2020年，将销售近300万辆电动汽车，总计超过8000万辆。虽然这看起来像是一个利基市场，但预测到2025年将销售到1000万辆电动汽车，到2040年将超过5000万辆，总计1亿辆。这意味着，到2040年，50%的已售车辆将是全电动汽车。所有这些车辆都需要缓慢充电，在家中过夜，使用简单的壁箱或几千瓦直流充电器，用于带有太阳能发电系统和蓄电池的房屋，在街上的充电桩上快速充电，或者在未来的加油站中超快。

随着电动汽车市场的兴起，我们看到可再生能源发电市场 - 最近经历了太阳能光伏（PV）系统的蓬勃发展 - 仍然以良好的速度增长，这要归功于过去10年降价约80%和推动脱碳。太阳能占当今全球发电量的不到5%，预计到2050年将占全球发电量的三分之一以上（33%）。

随着未来由间歇性负载组成，需要充电的电动汽车和间歇性能源（光伏和风力发电）提出了挑战，例如如何在以电网为中心的能源生态系统中结合这些新参与者。电动汽车等间歇性负载将需要对传输线进行额外的尺寸设计，以满足更高的功率峰值需求。

太阳能生产将改变中央发电厂的运作方式，以确保电网不会过度充电，人们将需要更容易获得电力，越来越多的家庭生产的电力的自我利用将是住宅太阳能系统。

为了使所有实体顺利合作并从可再生能源和零排放电动汽车中受益，储能系统必须进入游戏，以确保我们能够存储和再利用需求低时产生的电能（例如，中午产生的太阳能在晚上使用），并使用额外的能量来平衡电网。

储能系统（ESS）相当于燃料罐或煤炭储存仓库。ESS可用于住宅和工业规模的多种应用。在住宅应用中，将光伏逆变器连接到蓄电池，以节省和使用房屋中的能量或用白天太阳产生的能量在一夜之间为汽车充电很简单。在工业或公用事业规模的实施中，例如并网服务，ESS装置可用于不同的目的：从光伏和风能的监管到能源套利，从备用支持到黑启动（移除柴油发电机），最重要的是从总成本的角度来看，投资延期。在最后一种情况下，储能系统将用于覆盖电网节点中的功率峰值，确保现有的输电线路不需要昂贵的升级。另一个相关的用户案例是离网安装，其中ESS使微电网或孤岛能够自给自足。

考虑到所有可能的应用，ESS市场将在2045年之前突破1000 GW功率/ 2000 GWh容量阈值，从今天的10 GW 功率/ 20 GWh快速增长。

本文的重点将放在电动汽车充电基础设施的ESS安装上。

用于私人装置和公共装置的交流充电基础设施都很简单，但功率有限。1 级交流充电器在 120 V 交流下工作，最大功率为 2 kW;2 级能够承受 240 V 交流和 20 kW 的功率，并且两者都需要从交流到直流的功率转换到车载充电器。交流壁箱与其说是充电器，不如说是一个计量和保护装置。对于汽车，车载充电器的额定功率始终低于 20 kW，以限制成本、尺寸和重量。

另一方面，直流充电使电动汽车能够以更高的功率充电：3 级充电器的额定电压高达 450 V 直流和 150 kW，而最新的超级充电器（相当于 4 级）可以超过 350 kW 和 800 V 直流。出于安全原因，当输出连接器插入车辆时，电压上限设置为 1000 V dc。使用直流充电器时，电源转换是在充电桩中进行的，直流电源输出直接将充电桩与汽车的电池连接起来。这消除了车载充电器的必要性，并具有减少占用空间和减轻重量的所有好处。然而，在这个过渡阶段，当电动汽车充电基础设施仍然分散，并且不同国家、地区不同时，电动汽车中主要存在一个 11 kW 的小型车载充电器，让用户能够在需要时仍然通过交流插座充电。

增加充电功率需要增加工作电压，以确保电流保持在电缆尺寸和成本的合理范围内，并且意味着必须正确设计和确定微电网或安装充电站的子电网的尺寸。

让我们想象一个未来的充电站（在 2030 年），其中燃料由电子组成，燃料可从称为传输线的管道获得，通过变压器连接到中压 （MV） 电网。今天，燃料储存在地下的大油箱中，并由油罐车定期运送到加油站。让新燃料——电子——始终从电网中可用似乎是一个简单且没有问题的解决方案，但我们可以看到，如果我们想让司机有可能在不到 15 分钟的时间内为电动汽车充电，这种简单的方法是不可持续的。

我们的充电站有五个直流充电桩，每个充电桩的最大峰值功率输出为 500 kW。最坏的情况是，必须确定充电站的尺寸，表现为五辆电动汽车同时为完全耗尽的电池充电。为了简化计算，我们现在考虑功率转换级和电池充电路径中的零损耗。在本文的后面，我们将看到即使整个电源链中的小功率损耗也会如何影响正确的设计。

让我们考虑五辆电动汽车，每辆电动汽车都配备 75 kWh 电池（目前市场上的汽车配备全电动动力系统，电池从 30 kWh 到 120 kWh），需要从 10% 充电状态 （SOC） 充电到 80%：

这意味着必须在 15 分钟内将 262.5 kWh 的能量从电网传输到电动汽车：

电网必须向电动汽车提供略高于 1 MW 的电力，持续 15 分钟。锂电池的充电过程将需要恒流、恒压充电曲线，其中充电高达 80% 的电池所需的功率大于最后 20%。在我们的示例中，假设最大功率，我们将充电停止在 80%。

电网，或者更好的是充电站所在的子电网，必须间歇性地维持大于1 MW的峰值。必须实施非常高效和复杂的有源功率因数校正（PFC）级，以确保电网保持高效，而不会影响频率，也不会造成不稳定。这也意味着必须安装非常昂贵的变压器，将低压充电站连接到中压电网，并确保将电力从发电厂输送到充电站的输电线路尺寸正确，以应对所需的峰值功率。如果充电站正在为汽车和卡车或公共汽车充电，则所需的功率更高。

最简单、最经济的解决方案是使用当地可再生能源（如太阳能和风能）产生的电力，而不是安装新的输电线路和大型变压器。这使用户能够直接连接到具有额外电力的充电站，而不仅仅是依赖电网。实际上，100 kW至500 kW范围内的太阳能光伏（PV）安装可以在充电站或连接充电站的子电网附近完成。

虽然光伏电源可以提供500 kW，将电网请求的功率限制在500 kW，但光伏电源是间歇性的，并不总是存在。这带来了电网的不稳定，并使电动汽车驾驶员只有在阳光照射到最大时才能以最快的速度为汽车充电。这不是用户想要的，这是不可持续的。

这个电力电子难题中缺少的部分是ESS。就像当今加油站的燃料地下油箱一样，ESS可以表示为一个大电池，能够存储能量并将其从可再生能源输送到电网或充电桩或返回电网。储能单元的第一个关键特性是双向的，并在电网的低压侧工作。新装置的目标是连接可再生能源、电动汽车充电桩和 ESS 电池的 1500 V 直流母线电压。还必须对ESS进行适当的尺寸调整，以确保峰值功率和能量容量之间的平衡对于特定安装是最佳的。该比率在很大程度上取决于当地发电的规模，通过太阳能，风能或其他来源，充电桩的数量，连接到子电网的其他负载以及电力转换系统的效率。

图2.未来电动汽车加油站的功率转换。

在此计算中，储能系统的容量应介于500 kWh至2.5 MWh之间，峰值功率能力应高达2 MW。

在定义了充电站的关键组件（电源、负载、能量缓冲器）之后，必须对在充电站中创建能量路径的四个功率转换系统进行分析。

四个电源转换系统都位于主直流母线上，额定电压为 1000 V 直流至 1500 V 直流。所需功率越高，直流母线电压越高。1500 V dc 代表了当今和未来 20 年的行业标准。虽然可以在更高的电压下使用，但这给安全法规、电源组件和系统设计带来了复杂性，使其在现有技术下效率低下。这并不是说在10年内，新技术，如电源开关和保护系统，将无法转向2000 V直流或更高。

考虑到光伏逆变器，我们看到它具有DC-DC转换器的双重功能（用于从PV面板到直流母线的电源路径）和DC-AC逆变器的功能（用于从PV面板到交流总线然后进入电网的电源路径）。DC-DC转换级在这里是最重要的，因为AC-DC级也可以集成到从直流母线到交流电网的主双向功率因数校正（PFC）逆变器中。考虑到最先进的电力电子设计，围绕碳化硅（SiC）功率MOSFET设计的转换器可实现最高效率。与硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）的比较表明，效率在5%（最大负载）至20%（部分负载）的范围内有所提高。在我们的示例中，使用额定功率为 500 kW 的光伏逆变器，效率提高 5% 意味着损耗减少 25 kW 或更高的功率输出——相当于五个房屋的消耗量或一个大型热泵在夏季产生热水或冷却充电站建筑。

对于直流充电桩和ESS充电器，可以进行非常相似的计算。在这两种情况下，都可以采用两种设计方法：额定功率大于100 kW的大型单片功率转换器或许多额定功率为25 kW至50 kW的小型转换器并联使用。这两种解决方案都有优点和缺点。如今，小型转换器的多种连接正在引领市场，因为经济规模和设计简单，成本较低。当然，必须采用智能能源管理系统。

即使对于这些DC-DC转换器，从硅IGBT转向SiC MOSFET也带来了巨大的效率优势，同时节省了空间和重量，但代价是价格略高 - 今天高出25%，预计未来五年将降至5%。仅效率增益就可以通过节省来覆盖这个小价格（如果我们在最大负载下使用相同的 5%）：

最后，在PFC逆变器中，1 MW的5%再次变为50 kW，仅因为SiC与IGBT的效率更高，因此总功率节省达到250 kW。这就像有一个额外的充电桩，或者可以更好地平衡加班的能源消耗与负载的实际需求。

正如我们所说，为了实现这些结果，需要SiC MOSFET，但它们无法单独解决问题。SiC MOSFET 的驱动方式是达到所需开关频率的关键，以实现系统设计成本（由 MOSFET、线圈和电感器驱动）和效率之间的最佳权衡。设计人员的目标是50 kHz至250 kHz范围内的开关频率。对栅极驱动器的要求变得越来越具有挑战性，主要是在更短的传播延迟和改进的短路保护方面。

ADI公司的ADuM4136是一款隔离式栅极驱动器，采用先进的耦合器技术。这种隔离技术可实现 150 kV/μs 的共模瞬变抗扰度 （CMTI），以驱动数百 kHz 开关频率范围内的 SiC MOSFET。这与去饱和保护等快速故障管理相结合，使设计人员能够正确驱动高达1200 V的单个或并行SiC MOSFET。®

隔离式栅极驱动器必须上电，在ADI应用笔记AN-2016中，我们展示了ADuM4136栅极驱动器与LT3999推挽式控制器的组合如何构成一个无噪声、高效率的构建模块，以正确管理SiC MOSFET。LT3999 用于控制 ADuM4136 的一个双极性隔离电源。LT3999隔离电源的超低EMI噪声设计，以及高达1 MHz的开关可能性，实现了紧凑且经济高效的解决方案。

总传播延迟（包括死区时间和传播延迟）在开启时为226 ns，在关断时为90 ns。驱动器延迟时间为66 ns（开启）和68 ns（关断），而死区时间为160 ns（开启）和22 ns（关断）。

在不影响效率的情况下实现了在功率转换器中具有非常高功率密度的目标。

图3.ADuM4136和LT3999栅极驱动器单元。

虽然功率转换器是电源转换路径的基础，但在储能系统中，确保最佳总拥有成本的关键组件由电池管理/监控系统（BMS）表示。在价格突破分析中，我们可以看到，对于兆瓦级储能系统，超过一半的成本是由电池架驱动的：目前每千瓦时约200美元，预计到2025年将降至每千瓦时100美元。拥有可靠和精确的BMS解决方案使电池的使用寿命延长30%，从而节省了大量成本并简化了整个充电站的可操作性。更少的维护意味着更长的工作时间，并且对用户没有问题，从而通过降低维修的相关风险来提高安全水平。

为了达到这些结果，控制充电站周围能量流的能量管理系统必须非常准确地了解储能电池的SOC和健康状态（SOH）。精确可靠的SOC和SOH计算允许电池寿命在最佳情况下延长10年至20年，并且通常可以在不增加与BMS相关的电子成本的情况下实现30%的使用寿命延长。这导致电池使用寿命延长，运行和拥有成本至少降低 30%。这与SOC信息的更高精度相结合，提供了使用存储在电池中的所有能量并以最佳方式充电的能力，避免过度充电或过度放电，这些情况可能会在很短的时间内耗尽电池并造成短路和火灾等危险情况。对于预测性维护，并确保能量和功率流得到妥善管理，了解电池 SOC 和 SOH 意味着能够预测和调整电网稳定、电动汽车充电过程以及车辆到电网 （V2G） 连接中涉及的算法，其中车辆也被视为存储单元。

实现精确监控的解决方案是使用总测量误差小于2.2 mV的多节电池（最多18节电池）电池监控IC。所有18个电池的测量时间均为290 μs，并且可以选择较低的数据采集速率以实现高降噪。多个堆栈监控设备可以串联连接，允许同时监控长高压电池串。每个堆栈监视器都有一个隔离的串行外设接口 （isoSPI），用于高速、射频免疫、长距离通信。多个设备以菊花链形式连接，所有设备都有一个主机处理器连接。该菊花链可以双向操作，即使在通信路径出现故障时也能确保通信完整性。IC可以直接由电池组或隔离电源供电。该 IC 包括每个电池的被动平衡，以及每个电池的单独 PWM 占空比控制。其他特性包括板载5 V稳压器、9条通用I/O线路和睡眠模式，其中电流消耗降至6 μA。

由于BMS应用的短期和长期精度要求，IC使用埋齐纳转换基准，而不是带隙基准。这提供了稳定的低漂移 （20 ppm/√kh）、低温度系数 （3 ppm/°C）、低迟滞 （20 ppm） 初级基准电压源以及出色的长期稳定性。准确性和稳定性至关重要，因为它们是所有后续电池单元测量的基础，这些误差会对采集数据的可信度、算法一致性和系统性能产生累积影响。

尽管高精度基准电压源是确保卓越性能的必要功能，但仅此还不够。AC-DC转换器架构及其工作必须符合电气噪声环境中的规范，这是系统高电流/电压逆变器的脉宽调制（PWM）瞬变的结果。准确评估电池的SOC和SOH还需要相关的电压、电流和温度测量。

为了在系统噪声影响BMS性能之前降低系统噪声，堆栈监控器转换器使用Σ-Δ拓扑，并辅以六个用户可选滤波器选项，以应对嘈杂的环境。Σ-Δ方法降低了EMI和其他瞬态噪声的影响，其性质是每次转换使用许多样本，并具有平均滤波功能。

在ADI产品组合中，LTC681x和LTC680x系列代表了电池组监视器的最新技术。18 通道版本称为 LTC6813。

总之，为了应对未来直流快速充电基础设施的挑战，关键方面将出现在功率转换系统和储能系统中。本文提出了两个示例：ADuM4136隔离式栅极驱动器与LT3999电源控制器（用于采用SiC MOSFET设计的功率转换级）和LTC6813电池监控器件（用于储能电池）的组合。这些系统中还有更多关注领域，从电流计量到故障保护设备，从气体传感到功能安全。它们都非常重要，并带来了巨大的好处，ADI正在所有这些子系统中积极工作，以确保我们能够感知、测量、连接、解释、保护和供电所有物理现象，从而产生可靠和强大的数据——高端算法将使用这些数据来确保大部分能量从可再生能源转换为负载。

审核编辑：郭婷