車輛電池組服務(wù)于電網(wǎng)獲取彈性能量儲存器

電動汽車和家庭中的高容量電池組連接到電網(wǎng)，提供彈性能量儲存器，能夠根據(jù)需要擴展和收縮以服務(wù)于電網(wǎng)。使用并網(wǎng)雙向轉(zhuǎn)換器，這些電池組可以幫助平衡電網(wǎng)上高需求峰值和低需求谷值的時段。設(shè)計合適的轉(zhuǎn)換器可能具有挑戰(zhàn)性，但工程師可以利用設(shè)計用于多個供應(yīng)商的高效功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括Diodes Incorporated，Fairchild Semiconductor，International Rectifier，Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，STMicroelectronics，其中包括德州儀器（TI）和其他公司。

車輛到電網(wǎng)（V2G）或家庭到電網(wǎng)（H2G）電源的概念已經(jīng)從對大規(guī)模招募小型能力的認(rèn)識不斷提高而出現(xiàn)能源商店應(yīng)對與高度可變的電力需求相關(guān)的日益增長的挑戰(zhàn)在宏觀層面，V2G和H2G概念設(shè)想許多電動汽車（或家用電池組）在電力需求低的時候在夜間充電 - 所謂的“谷填充” - 并在需求高時將電力返回電網(wǎng)（“調(diào)峰” “）。雖然這些概念也適用于H2G，但考慮到電動汽車（EV）和插電式混合動力電動汽車（PHEV）的日益普及，人們的注意力主要集中在V2G上。實際上，電動汽車和插電式混合動力汽車本身就能提供強大的儲能能力。電動車輛或插電式混合動力EV中的典型電池系統(tǒng)可以提供至少10kW的功率，因此一組PHEV可以提供總體上相當(dāng)大的能量儲存器。

部署V2G

然而，實際上，由于經(jīng)濟，技術(shù)和消費者的關(guān)注，V2G迄今為止的接受程度有限。這種方法的成功在很大程度上取決于有利的關(guān)稅結(jié)構(gòu)和臨界質(zhì)量的連接電動汽車的可用性 - 這些都不是立即可用的。在技術(shù)方面，電池磨損仍然是一個問題：使用當(dāng)前可用的電池技術(shù)，持續(xù)充電和放電可以降低容量并增強磨損。最后，消費者仍然擔(dān)心公用事業(yè)的公平財務(wù)激勵，車輛電池的健康狀況，以及車輛在實際運輸需要時是否有足夠的電量。然而，隨著行業(yè)解決經(jīng)濟和技術(shù)限制，這些關(guān)鍵的消費者擔(dān)憂將會減輕。事實上，更先進的充電/放電算法已經(jīng)證明減少了對大型電池組壽命的影響。

盡管對目前的經(jīng)濟和技術(shù)因素感到擔(dān)憂，但V2G已經(jīng)形成了更靈活的配電戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。例如，在所謂的世界上最大的V2G項目中，美國國防部正在洛杉磯空軍基地的示范中使用一支由42輛具有V2G功能的電動車組成的車隊。該車隊包括電動車和混合動力車，從轎車到卡車和12輛客車，被視為國防部關(guān)注能源安全，能源供應(yīng)保障，能源彈性和能源需求減少的試驗平臺。

雖然美國空軍的V2G項目圍繞著能源安全和自我維持的微電網(wǎng)的概念，但中國對V2G的計劃更大。在其“中國2050高可再生能源滲透情景和路線圖研究” 1 V2G技術(shù)被視為越來越依賴可變電源的答案（圖1）。

圖1：對可再生能源對中國總發(fā)電量的貢獻的研究表明，人們越來越依賴太陽能和風(fēng)能等可變電源，并要求部署V2G技術(shù)以平衡供需。 （由中國能源基金會提供）

根據(jù)該研究，到2050年，可再生能源對該國總發(fā)電量的貢獻將從目前的46％上升到85％。同時可變電源的貢獻將從30％上升到60％，給電力公司維持電力供需之間實時平衡的能力帶來了巨大壓力。僅在北京就有數(shù)百萬輛汽車擁有足夠的電動汽車，中國人認(rèn)為V2G技術(shù)能夠穩(wěn)定北京的電網(wǎng)，抵御高度可變的能源。

關(guān)鍵啟動器

V2G/H2G部署的關(guān)鍵技術(shù)推動因素是基本轉(zhuǎn)換器。采用無源元件構(gòu)建，典型的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于僅從輸入端向輸出端移動電源。然而，通過用有源開關(guān)取代傳統(tǒng)的二極管元件，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器拓撲可以在兩個方向上移動功率（圖2）。這些雙向轉(zhuǎn)換器已經(jīng)應(yīng)用于能量收集應(yīng)用，如再生制動，通過構(gòu)建基于這種同步整流方法的轉(zhuǎn)換器。

圖2：傳統(tǒng)的開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器（頂部）提供從輸入到輸出的電源，但是用有源開關(guān)（底部）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管;由此產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)換器提供雙向功率流。 （由德州儀器提供）

以這種方式使用，與傳統(tǒng)的肖特基二極管相比，MOSFET等有源開關(guān)提供接近線性的電阻和更低的正向壓降（圖3）。正如電源設(shè)計人員所發(fā)現(xiàn)的那樣，MOSFET具有額外的優(yōu)勢，包括并聯(lián)工作的能力，以降低高功率應(yīng)用中熱失控的危險。 MOSFET具有正溫度系數(shù)，因此當(dāng)并聯(lián)工作時，MOSFET在較熱的器件中表現(xiàn)出電阻的增加（并因此導(dǎo)致電流減小），從而將功率流轉(zhuǎn)移到冷卻器裝置。相比之下，Schottkys具有負溫度系數(shù)，因此增加熱量會導(dǎo)致更熱的器件中的電流增加 - 并且熱失控的可能性增加。

圖3：與肖特基二極管相比，MOSFET提供更低的正向壓降，從而提高了轉(zhuǎn)換器效率。對于這個例子，比較30 V MOSFET和35 V肖特基二極管的正向電流為15 A，F(xiàn)airchild FDMS8670S MOSFET的導(dǎo)通損耗為1.5 W，而Fairchild MBR4035PT肖特基的導(dǎo)通損耗為7.5 W. （由Fairchild Semiconductor提供）

然而，即使有其優(yōu)勢，設(shè)計人員也需要特別注意將MOSFET應(yīng)用于同步轉(zhuǎn)換器設(shè)計。 MOSFET體二極管可以表現(xiàn)出非常慢的反向恢復(fù)，并具有大量的反向恢復(fù)電流，從而影響轉(zhuǎn)換器性能。在某些情況下，使用并聯(lián)肖特基整流器有助于降低體二極管電流。事實上，專為同步整流應(yīng)用而設(shè)計的Fairchild SyncFET系列MOSFET系列將PowerTrench MOSFET和并聯(lián)肖特基整流器集成在一個封裝中。

MOSFET體二極管反向恢復(fù)電流也可降低通過將開關(guān)的死區(qū)時間切換為零。零死區(qū)時間，體二極管中不會有電流流過，從而消除了反向恢復(fù)和體二極管導(dǎo)通損耗。因此，為了在同步轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)MOSFET的最大效率，工程師需要應(yīng)用非常嚴(yán)格的選通控制。

時序和性能

實際上，由于同步整流MOSFET是有源器件，它們超越肖特基二極管整流器的能力嚴(yán)重依賴于柵極驅(qū)動方法和用于驅(qū)動同步整流（SR）的時序MOSFET（圖2中的Q2，底部）。合適的時序設(shè)計需要確保Q1和Q2不會同時處于有源導(dǎo)通模式。此外，需要最小化Q1和Q2之間的死區(qū)時間，以減少與SR MOSFET體二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)時間相關(guān)的頻率相關(guān)功率損耗。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，同步轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員通常依賴于高級同步整流控制器和處理器控制器脈沖寬度調(diào)制（PWM）器件中實現(xiàn)的復(fù)雜控制方案。在典型設(shè)計中，控制器切換MOSFET柵極驅(qū)動器，后者又控制功率MOSFET。諸如Diodes Incorporated ZXGD3104N8，International Rectifier CHL8510和Linear Technology LTC4449等柵極驅(qū)動器就是其中的一些例子。實際上，德州儀器（TI）TPS28225實現(xiàn)了自適應(yīng)死區(qū)時間控制，無需額外的控制電路。這里，TPS28225檢測到驅(qū)動器的輸出變?yōu)榈碗娖剑⑶也辉试S另一個驅(qū)動器的柵極驅(qū)動輸出變?yōu)楦唠娖?，直到第一個驅(qū)動器輸出低于指定的閾值。

復(fù)雜的時序方案

為實現(xiàn)更復(fù)雜的控制方案，設(shè)計人員可以使用PWM設(shè)備，例如由MCU控制的Microchip MCP1630V，例如Microchip PIC16F88，以提供最大化雙向轉(zhuǎn)換器效率所需的精確時序（圖4）。同時，MCU能夠使用內(nèi)置運算放大器（如Microchip MCP6021）的檢測電路來監(jiān)控電壓和電流水平。

圖4：雙向電源轉(zhuǎn)換器依賴于自適應(yīng)PWM，例如由Microchip PIC16F88等MCU控制的Microchip MCP1630V管理流入或流出電池組的電流所需的關(guān)鍵時序?？梢钥s放這種類型的設(shè)計，以實現(xiàn)電網(wǎng)和超高容量電池組之間的雙向電力流動。 （由Microchip Technology提供）

在某些應(yīng)用中，工程師可以使用專用的同步整流控制器，如Intersil ISL6545，Maxim Integrated MAX1771和安森美半導(dǎo)體TL594，它們可提供集成控制解決方案。高度集成的MCU可以提供高效的解決方案，并且只需最少的額外組件。 STMicroelectronics STM32F334和德州儀器MSP430F67641等MCU集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和PWM，可實現(xiàn)專為在同步轉(zhuǎn)換器設(shè)計中運行柵極驅(qū)動器而設(shè)計的綜合解決方案（圖5）。

圖5：工程師可以使用集成的MCU（如STMicroelectronics STM32F334）來實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，從而最大限度地提高同步轉(zhuǎn)換器的效率。 （由STMicroelectronics提供）