面向電動汽車充電基礎設施的儲能系統(tǒng)

作者：Stefano Gallinaro ADI公司戰(zhàn)略營銷經(jīng)理

摘要

電動汽車（EV）將獲得越來越多的市場份額，最終取代內(nèi)燃機汽車。直流快速充電站將取代或整合加油站。太陽能、風能等可再生能源將為它們提供動力。人們將希望能在不到15分鐘的時間內(nèi)為電動汽車充滿電，他們不愿排隊等候唯一的充電樁。

考慮到有多個充電樁，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，大幅提高基本負荷。但是，這種負荷是脈沖性的，必須與太陽能、風能等可再生能源產(chǎn)生的間歇性能量整合起來。

儲能系統(tǒng)可以簡單而優(yōu)雅地解決這個問題。我們使用汽油、天然氣等燃料來存儲能量，并在需要時（如在為汽車加油時）再次利用。同理，我們可以利用電子和化學方法將電能存儲在電池中。然后，可以利用此能量增加電動汽車充電量，通過調(diào)節(jié)功率峰值，保持電網(wǎng)穩(wěn)定，或是在停電的情況下提供電源。

汽車市場已開始發(fā)生轉(zhuǎn)變。2020年將售出近300萬輛電動汽車，汽車總銷量超過8000萬輛。盡管300萬輛看起來屬于小眾市場，但預測顯示，電動汽車的銷量將迅猛增長，2025年達到1000萬 輛，2040年將超過5000萬輛，屆時的汽車總銷量為1億輛。這意味著，到2040年，售出的車輛中有50%是全電動汽車。對所有這些汽車來說，在家里時，要使用簡單的壁掛式充電樁，如果是裝有太陽能發(fā)電系統(tǒng)和儲能電池的家庭，則使用幾千瓦的直流充電器，通宵慢速充電；上街時，則通過充電樁快速充電，或者在未來的加油站超快地充電。

我們看到，在電動汽車市場快速崛起的同時，可再生能源發(fā)電市場（最近經(jīng)歷了太陽能光伏（PV）系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的幾年）仍保持著良好的增長勢頭，這與過去10年太陽能系統(tǒng)價格下降約80%和 強有力的脫碳舉措是分不開的。今天，太陽能僅占全球發(fā)電量的5%以下，到2050年預計將占全球發(fā)電量的三分之一（33%）以上。

在未來用電負荷呈現(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。電動汽車等間歇性負荷需求要求提高輸電線路規(guī)格，滿足更高功率峰值需求。

太陽能發(fā)電將改變集中式發(fā)電廠的運作方式，確保電網(wǎng)不過載；人們將會要求更便捷的供電方式，他們家里的自用電將越來越多地由住宅太陽能發(fā)電系統(tǒng)提供。

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（例如，晚上使用中午產(chǎn)生的太陽能），利用多余的能量來平衡電網(wǎng)負荷。

儲能系統(tǒng)（ESS）相當于電能領域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應用當中。在住宅應用中，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。在工業(yè)或公用事業(yè)規(guī)模的應用（如并網(wǎng)服務）中，儲能系統(tǒng)可用于不同目的：從調(diào)節(jié)光伏和風能到能源套利，從后備支持到黑啟動（消除柴油發(fā)電機），最重要的是從總成本角度考慮，可以延緩投資。在后一種情況下，可以利用儲能系統(tǒng)滿足電網(wǎng)節(jié)點峰值負荷需求，確保無需付出高昂成本、升級現(xiàn)有輸電線路。另一個相關(guān)應用案例是離網(wǎng)設施，此時，儲能系統(tǒng)使微電網(wǎng)或島嶼電能能自給自足。

圖1. 可再生能源、儲能系統(tǒng)和電動汽車充電基礎設施的整合

考慮到所有可能應用，儲能系統(tǒng)市場2045年之前將突破1000 GW發(fā)電量/2000 GWh產(chǎn)能的閾值，相比今天的10 GW發(fā)電量/20 GWh產(chǎn)能，可謂迅猛增長。

本文將重點討論面向電動汽車充電基礎設施的儲能系統(tǒng)。

私人和公用交流充電基礎設施雖然簡單，但功率有限。1級交流充電器的工作電壓為120 V，最大輸出功率為2 kW。2級交流充電器的工作電壓和最大輸出功率分別可達240 V和20 kW。在兩種情況下，車載充電器都要求將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。壁掛式交流充電樁與其說是充電器，不如說是計量和保護裝置。由于成本、尺寸和重量的限制，汽車車載充電器的額定功率始終低于20 kW。

另一方面，直流充電允許以更高的功率對電動汽車充電：3級充電器的最高額定直流電壓和額定功率分別為450 V和150 kW，最新的超級充電器（相當于4級）則可超過800 V和350 kW。出于安全原因，在輸出接頭插入車輛時，電壓上限設為1000V直流。使用直流充電器時，能量轉(zhuǎn)換是在充電樁中進行的，直流功率輸出將充電樁與汽車電池直接連接起來。這就消除了車載充電器的必要性，同時還有減少占用空間、減輕重量的諸多好處。然而，在此過渡階段，電動汽車充電基礎設施仍然高度分散，且因國家/地區(qū)而異，電動汽車大都會使用一臺11kW的小型車載充電器，使用戶能在需要時通過交流電源插座充電。

提升充電功率需要增加工作電壓，確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內(nèi)，這意味著必須正確設計安裝充電站的微電網(wǎng)或子電網(wǎng)并確定其規(guī)格。

我們不妨設想一款未來（2030年）的充電站，其中的燃料由電子組成，用稱為輸電線路的管道提供燃料，并通過變壓器接入中壓（MV）電網(wǎng)。目前，燃料存儲在地下的巨大油罐中，定期通過 油罐車運到加油站。雖然始終通過電網(wǎng)提供新燃料（電子）似乎是一種簡單的解決方案，沒什么問題，但我們可以看到，如果我們想讓駕駛員能夠在不到15分鐘的時間里為電動汽車充滿電，那么這種簡單的方法是無法持續(xù)的。

充電站有五個直流充電樁，每個充電樁最大可以輸出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情況下，五個充電樁同時為完全耗盡的電池充電，充電站必須考慮這一點。為了簡化計算，我們現(xiàn)在假 設功率變換級和電池充電路徑中的損耗為零。在本文的后面，我們將看到即使整個電源鏈中的功率損耗很小，正常的設計也會被影響。

我們假設有五臺電動汽車，每臺均配備75 kWh的電池（當今上市的全電動汽車配備的電池容量為30 kWh至120 kWh），需要從10%的電量（SOC）充電至80%：

電網(wǎng)必須連續(xù)15分鐘向這些電動汽車提供略多于1 MW的電能。鋰電池的充電過程要求恒定電流、恒定電壓充電曲線，使電池充滿80%所需功率大于充滿最后20%所需功率。在我們的示例中， 假設以最大功率充至80%即停止充電。

充電站所在的電網(wǎng)（最好為子電網(wǎng)）必須間歇性地維持大于1MW的峰值。必須實施非常高效、高度復雜的有功功率因數(shù)校正（PFC）級，確保電網(wǎng)保持高效，不影響頻率，也不造成不穩(wěn)定。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器，將低壓充電站接入中壓電網(wǎng)，確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規(guī)格上能滿足峰值功率需求。如果在充電站充電既有汽車，也有卡車和公交車，則所需功率會更高。

最簡單、最經(jīng)濟的解決方案是使用太陽能、風能等可再生能源在當?shù)厣a(chǎn)的電能，而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這樣用戶就可以直連有多余電能的充電站，而不是完全依靠電網(wǎng)。實際上，可以在充電站或連接充電站的子電網(wǎng)附近安裝100 kW至500 kW的太陽能光伏（PV）電站。

雖然光伏電源可以提供500 kW的電能，將對電網(wǎng)的功率需求降至500kW，但光伏電源具有間歇性的特點，并非總是存在。這就給電網(wǎng)帶來了不穩(wěn)定問題，使電動汽車駕駛員只能在陽光明媚時以最快的速度為車充電。這并非用戶所需，也是不可持續(xù)的。

在電力電子的這張拼圖中缺少了儲能系統(tǒng)。就像當今加油站的地下油罐一樣，可以把儲能系統(tǒng)視為大型電池，它能將來自可再生能源的電能存儲起來并輸送至電網(wǎng)、充電樁或回充至電網(wǎng)。儲能裝置的首要特征是雙向性，處于電網(wǎng)的低壓端。這種新裝置的設計目標是，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。還要適當確定儲能系統(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)的其他負荷以及功率變換系統(tǒng)的效率。

圖2. 未來電動汽車充電站的功率變換

在此計算中，儲能系統(tǒng)的容量應在500 kWh至2.5 MWh之間，峰值功率容量最高為2 MW。

我們上面確定了充電站的關(guān)鍵組件（電源、負荷、能量緩沖），接下來我們要分析四個功率變換系統(tǒng)，它們形成了充電站中的能量路徑。

四個功率變換系統(tǒng)均基于主直流母線，額定直流電壓為1000V至1500V。所需功率越高，直流母線電壓就越高。1500V直流代表著當今以及未來20年的行業(yè)標準。雖然有可能提出更高的電壓要 求，但這會使安全法規(guī)、功率組件和系統(tǒng)設計變得更加復雜，使現(xiàn)有技術(shù)變得低效。但這并不是說在10年后，電源開關(guān)、保護系統(tǒng)等新技術(shù)不可能實現(xiàn)2000 V或更高的直流電壓。

以光伏逆變器為例，我們看到，它具有雙重功能，一是DC-DC變換器（用于從光伏面板到直流母線的電源路徑），二是DC-AC逆變器（用于從光伏面板到交流母線再到電網(wǎng)的電源路徑）。 DC-DC變換級在這里是最重要的，因為AC-DC級也可以集成到從直流母線到交流電網(wǎng)的主雙向功率因數(shù)校正（PFC）逆變器當中。就最新的電力電子設計而言，用基于碳化硅（SiC）功率MOSFET設計的變換器可才實現(xiàn)最高效率。與硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）比較后顯示，效率提高了5%（最大負載）到20%（部分負載）。在我們的示例中，使用額定功率為500 kW的光伏逆變器，效率提高 5%意味著損耗減少了25 kW，或者功率輸出增加了25 kW，相當于五所房屋的能耗或者一臺大型熱泵生產(chǎn)熱水或在夏天冷卻充電站建筑的能量。

對于直流充電樁和儲能系統(tǒng)充電器都可以進行高度相似的計算。在這兩種情況下，兩種設計方法都是可行的：并行使用額定功率大于100 kW的大型單片功率變換器或額定功率為25 kW至 50 kW的多個小型變換器。兩種解決方案都有其優(yōu)點和缺點。如今，得益于經(jīng)濟規(guī)模和簡化設計，成本下降，小型變換器多連成為市場的主流。當然，必須采用智能能源管理系統(tǒng)。

即使對于這些DC-DC變換器，從硅IGBT轉(zhuǎn)向SiC MOSFET帶來了巨大的效率優(yōu)勢，還節(jié)省了空間，減小了重量，但價格卻略有增加——目前增幅為25%，預計今后五年會降至5%。僅效率提升 本身就足以抵銷略微上升的成本（假設在最大負荷下，成本增加5%）：

最后，在PFC逆變器中，1 MW的5%為50 kW，僅僅因為使用效率更高的SiC而非IGBT，就可以總共節(jié)省250 kW的功率。這相當于增加一個充電樁，或者有可能更好地平衡超時能耗與實際負荷 需求。

正如我們所說，要獲得這些結(jié)果，需要采用SiCMOSFET，但它們不能單獨解決問題。SiCMOSFET的驅(qū)動方式是達到所需開關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設計成本（受MOSFET、線圈和 電感器影響）與效率之間的最佳平衡。設計人員定下的目標開關(guān)頻率范圍為50 kHz至250 kHz。柵極驅(qū)動器的要求越來越高，主要體現(xiàn)在傳輸延遲更短、短路保護更好兩個方面。

ADI的ADuM4136是一款采用最新iCoupler? 技術(shù)的隔離式柵極驅(qū)動器。這種隔離技術(shù)可實現(xiàn)150kV/μs的共模瞬變抗擾度（CMTI），以數(shù)百kHz的開關(guān)頻率驅(qū)動SiCMOSFET。加上去飽和保護等快速故障管理功能，設計人員可以正確驅(qū)動高達1200 V的單個或并聯(lián)SiC MOSFET。

隔離式柵極驅(qū)動器必須有電源驅(qū)動，我們在ADI應用筆記AN-2016中展示了ADuM4136柵極驅(qū)動器與LT3999 推挽式控制器的組合如何成為一種無噪聲的高效構(gòu)建模塊，用于正確管理SiC MOSFET。LT3999用于控制ADuM4136的雙極性隔離電源。LT3999隔離電源采用 超低EMI噪聲設計，開關(guān)頻率高達1MHz，可以成就經(jīng)濟高效的緊湊式解決方案。

總傳輸延遲（包括死區(qū)時間和傳輸延遲）在接通時為226 ns，斷開時為90 ns。驅(qū)動器的延遲時間在接通時為66 ns，斷開時為68 ns，死區(qū)時間在接通時為160 ns，斷開時為22 ns。

可以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。

圖3. ADuM4136和LT3999柵極驅(qū)動器單元

雖然功率變換器是功率變換路徑的基礎，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）。我們通過拆分價格發(fā)現(xiàn)，對于兆瓦級儲能系統(tǒng)，一半以上的成本來自電池架：目前約為200美元/kWh，預計到2025年將降至100美元/kWh。擁有可靠而精確的BMS解決方案，可使電池使用壽命延長30%，節(jié)省巨大的成本，簡化整個充電站的可操作性。維護減少意味著工作時間延長，用戶不會遇到問題，減少維修相關(guān)風險，從而提高安全水平。

為了獲得這些效果，負責控制充電站能量流的能量管理系統(tǒng)必須非常準確地了解儲能電池的SOC和健康狀態(tài)（SOH）。精確可靠的SOC和SOH計算最長可使電池壽命延長10年至20年，通常可以 將使用壽命增加30%，而不增加BMS相關(guān)電子器件成本。由于延長了電池的使用壽命，因此可將運營成本和擁有成本降低至少30%。再加上更準確的SOC信息，我們就能使用電池中存儲的所有能量，以最優(yōu)方式對電池充電，杜絕過充或過放電；過充、過放電問題可能在很短的時間內(nèi)耗盡電池電能，造成短路、火災等險情。為了實現(xiàn)預測性維護，確保能量和功率流得到適當?shù)墓芾?，了解電池SOC和SOH意味著需要預測和調(diào)整電網(wǎng)穩(wěn)定、電動汽車充電過程以及車網(wǎng)（V2G）連接（其中車輛也被視為存儲裝置）中使用的各種算法。

實現(xiàn)精確監(jiān)控的辦法是使用多單元（最多18個單元）電池監(jiān)控IC，總測量誤差小于2.2 mV?？稍?90μs內(nèi)測量所有18個電池單元，并選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以便降噪?？蓪⒍鄠€電池堆監(jiān)控器件串聯(lián)，以便同時監(jiān)控很長的高壓電池串。每個電池堆監(jiān)控器都有一個隔離式串行外設接口（isoSPI），用于高速、RF抗擾、遠距離通信。多個器件以菊花鏈形式連接，并為所有器件連接 一個主機處理器。該菊花鏈可雙向操作，即使通信路徑出錯，也能確保通信完整性。電池堆可直接為IC供電，也可采用隔離電源為其供電。IC具有用于每個電池單元的被動式均衡和分別的PWM占空比控制功能。其他特性包括一個片內(nèi)5 V調(diào)節(jié)器、9條通用I/O口線和睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 μA）。

BMS應用具備短期和長期精度需求，IC使用掩埋式齊納轉(zhuǎn)換 基準電壓源而非帶隙基準電壓源。這能夠提供穩(wěn)定的低漂移（20 ppm/√kh）、低溫度系數(shù)（3 ppm/°C）、低滯回（20 ppm）原邊電壓基準 源以及出色的長期穩(wěn)定性。這種精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，是所有后續(xù)電池單元測量的基礎，這些誤差對所獲-數(shù)據(jù)的可信度、算法一致性和系統(tǒng)性能會產(chǎn)生累積影響。

雖然高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但光憑該功能還不夠。AC-DC變換器架構(gòu)及其操作必須符合電噪聲環(huán)境要求，這是系統(tǒng)大電流/電壓逆變器的脈寬調(diào)制（PWM）瞬態(tài)特性的結(jié) 果。準確評估電池的SOC和SOH還需要相關(guān)的電壓、電流和溫度測量。

為了在影響B(tài)MS性能之前減輕系統(tǒng)噪聲，電池堆監(jiān)控器內(nèi)部用的轉(zhuǎn)換器使用了一個∑-Δ拓撲結(jié)構(gòu)，并在六個由用戶選擇的濾波器選項輔助處理噪聲環(huán)境。∑-Δ方法減少了電磁干擾和其他瞬態(tài)噪聲的影響，因為它的本質(zhì)是每次轉(zhuǎn)換使用多個樣本，并具有平均濾波功能。

在ADI的產(chǎn)品組合中，LTC681x和LTC680x家族代表了電池堆監(jiān)控器的最先進水平。18通道版本為LTC6813。

總之，為了應對未來的直流快速充電基礎設施面臨的挑戰(zhàn)，功率變換系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)是關(guān)鍵。我們給出了兩個例子，將ADuM4136隔離式柵極驅(qū)動器分別與LT3999電源控制器（用于采用 SiC MOSFET設計的功率變換級）和LTC6813電池監(jiān)控器件（用于儲能電池）結(jié)合起來。其實這些系統(tǒng)中還有更多領域需要重點關(guān)注，包括了從電流計量到故障保護器件，從氣體檢測到功能安全，它們都是極其重要的，能帶來眾多好處，ADI公司目前正在積極研發(fā)所有這些子系統(tǒng)，確保我們能夠感知、測量、連接、解讀、保護和驅(qū)動所有物理現(xiàn)象，獲得可靠且魯棒的數(shù)據(jù)。高端算法將使用這些數(shù)據(jù)，確保將大部分能量從可再生資源變換為負荷（這里指電動汽車）。

作者簡介

Stefano Gallinaro

Stefano Gallinaro于2016年加入ADI公司，在可再生能源業(yè)務部工作。他負責管理太陽能、電動汽車、充電和儲能領域的戰(zhàn)略營銷活動，同時特別關(guān)注功率轉(zhuǎn)換。工作地點在慕尼黑，負責全球業(yè)務。

Stefano在意大利都靈理工大學攻讀電子工程學士學位。他的職業(yè)生涯始于意大利奧斯塔的STMicroelectronics Srl—DORA S.p.A.，擔任應用工程師。在2016年加入ADI之前，他在德國安達赫治Vincotech GmbH擔任產(chǎn)品營銷經(jīng)理長達兩年半。