依据市场发展趋势，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。未来，直流快速充电站将取代或整合加油站，太阳能、风能等可再生能源将为它们提供动力。人们将希望能在不到15分钟的时间内为电动汽车充满电，这将是电动汽车发展的关键要素。本文将为您介绍储能系统在电动汽车快速充电基础设施上所扮演的角色，以及由ADI推出的相关解决方案。
储能系统通过调节功率峰值保持电网稳定
汽车市场已开始发生快速转变，预测显示，电动汽车的销量将迅猛增长，在2025年预计达到1000万辆，2040年将超过5000万辆，届时的汽车总销量为1亿辆。这意味着，到2040年时，售出的车辆中有50%是全电动汽车。
不过，面对快速增长的电动汽车充电需求，电网需要提供的局部充电峰值功率将超过1MW，这将可能造成电网无法负荷，因此，需要投入大笔资金来改善输电线路和集中式发电厂，来大幅提高基本负荷。但是，由于这种负荷是脉冲性的，因此必须与太阳能、风能等可再生能源产生的间歇性能量整合起来。
储能系统将可以简单而优雅地解决这个问题，我们可以利用电子和化学方法将电能存储在电池中。然后，可以利用此能量增加电动汽车充电量，通过调节功率峰值，保持电网稳定，或是在停电的情况下提供电源。
以电动汽车的充电需求来说，在家里时，可使用简单的壁挂式充电桩，如果是装有太阳能发电系统和储能电池的家庭，则使用几千瓦的直流充电器，通宵慢速充电，当电动汽车出门时，则可通过充电桩快速充电，或者在未来的加油站超快地充电。
在未来用电负荷呈现间歇性特点的背景下，需要充电的电动汽车以及太阳能、风能等间歇性能源将面临一些挑战，比如如何以电网为中心，将能源生态系统里的这些新兴参与者整合起来。电动汽车等间歇性负荷需求将要求提高输电线路规格，以满足更高功率峰值需求。
面向电动汽车充电基础设施的储能系统极具市场机遇
考虑到所有可能应用，储能系统市场2045年之前将突破1000 GW发电量/2000 GWh产能的阈值，相比今天的10 GW发电量/20 GWh产能，可谓迅猛增长，其中面向电动汽车充电基础设施的储能系统将拥有庞大的市场机遇。
私人和公用交流充电基础设施虽然简单，但功率有限。1级交流充电器的工作电压为120 V，最大输出功率为2 kW。2级交流充电器的工作电压和最大输出功率分别可达240 V和20 kW。在两种情况下，车载充电器都要求将交流电转换为直流电。壁挂式交流充电桩与其说是充电器，不如说是计量和保护装置。由于成本、尺寸和重量的限制，汽车车载充电器的额定功率始终低于20 kW。
另一方面，直流充电允许以更高的功率对电动汽车充电，3级充电器的最高额定直流电压和额定功率分别为450 V和150 kW，最新的超级充电器（相当于4级）则可超过800 V和350 kW。出于安全原因，在输出接头插入车辆时，电压上限设为1000V直流。使用直流充电器时，能量转换是在充电桩中进行的，直流功率输出将充电桩与汽车电池直接连接起来。这就消除了车载充电器的必要性，同时还有减少占用空间、减轻重量的诸多好处。然而，在此过渡阶段，电动汽车充电基础设施仍然高度分散，且因国家／地区而异，电动汽车大都会使用一台11kW的小型车载充电器，使用户能在需要时通过交流电源插座充电。
SiC MOSFET为新式电力电子设计带来效率优势
就新式的电力电子设计而言，用基于碳化硅（SiC）功率MOSFET设计的变换器才可能实现高效率。与硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）比较后显示，效率提高了5%（最大负载）到20%（部分负载）。例如，使用额定功率为500 kW的光伏逆变器，效率提高5%意味着损耗减少了25 kW，或者功率输出增加了25 kW，相当于五所房屋的能耗，或者一台大型热泵生产热水或在夏天冷却充电站建筑的能量。
对于直流充电桩和储能系统充电器的设计方法来说，可并行使用额定功率大于100 kW的大型单片功率变换器，或是额定功率为25 kW至50 kW的多个小型变换器，这两种解决方案都有其优点和缺点。如今，得益于经济规模和简化设计，成本下降，将小型变换器多个连结成为市场的主流。当然，必须采用智能能源管理系统。
即使对于这些DC-DC变换器，从硅IGBT转向SiC MOSFET带来了巨大的效率优势，还节省了空间，减小了重量，但价格却略有增加——目前增幅为25%，预计今后五年会降至5%，不过，仅效率提升本身就足以抵销略微上升的成本。在PFC逆变器中，1 MW的5%为50 kW，仅仅因为使用效率更高的SiC而非IGBT，就可以总共节省250 kW的功率。这相当于增加一个充电桩，或者有可能更好地平衡超时能耗与实际负荷需求。
SiC MOSFET的驱动方式是达到所需开关频率的关键，而开关频率决定着系统设计成本（受MOSFET、线圈和电感器影响）与效率之间的较佳平衡。设计人员定下的目标开关频率范围为50 kHz至250 kHz。栅极驱动器的要求越来越高，主要体现在传输延迟更短、短路保护更好两个方面。
满足电源驱动应用需求的完整解决方案
为满足电源驱动应用的相关需求，ADI推出的ADuM4136是一款采用最新 iCoupler® 技术的隔离式栅极驱动器。这种隔离技术可实现150kV/µs的共模瞬变抗扰度（CMTI），以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET。加上去饱和保护等快速故障管理功能，设计人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET。ADuM4136专门针对驱动IGBT进行了优化，它可采用单极性或双极性副电源工作，如果需要，可使用负栅极驱动器。
隔离式栅极驱动器必须有电源驱动，ADuM4136栅极驱动器与LT3999推挽式控制器的组合将成为一种无噪声的高效构建模块，用于正确管理SiC MOSFET。LT3999用于控制ADuM4136的双极性隔离电源。LT3999隔离电源采用超低EMI噪声设计，开关频率高达1MHz，可以成就经济高效的紧凑式解决方案。
LT3999包括两个1A电流限制电源开关，它们执行异相切换操作，可通过占空比设置以调节输出电压。开关频率最高被设置为1MHz，并可同步一个外部时钟以实现更加准确的开关电源谐波布局。输入工作范围利用精准的欠压和过压闭锁功能电路来设置，电源电流在停机期间减小至1µA以下。一个用户定义的RC时间常数通过限制启动时的浪涌电流，提供了一种可调软启动能力。LT3999采用具有裸露衬垫的10引脚MSOP封装和3mm x 3mm DFN封装。
实现精确监控的办法是使用可支持多单元（最多18个单元）电池监控IC，像是LTC6813-1，其总测量误差小于2.2 mV。可在290µs内测量所有18个电池单元，并选择较低的数据采集速率以便降噪。0V至5V的电池测量范围使LTC6813-1成为大多数电池化学组成的合适之选。此外，还可将多个电池堆监控器件串联，以便同时监控很长的高压电池串。每个电池堆监控器都有一个隔离式串行外设接口（isoSPI），用于高速、RF抗扰、远距离通信。多个器件以菊花链形式连接，并为所有器件连接一个主机处理器。该菊花链可双向操作，即使通信路径出错，也能确保通信完整性。电池堆可直接为IC供电，也可采用隔离电源为其供电。IC具有用于每个电池单元的被动式均衡和分别的PWM占空比控制功能。其他特性包括一个片内5 V调节器、9条通用I/O口线和睡眠模式（在此模式下，功耗降至6 µA）。
为了在影响BMS性能之前减轻系统噪声，电池堆监控器内部用的转换器使用了一个Σ-Δ拓扑结构，并在六个由用户选择的滤波器选项辅助处理噪声环境。Σ-Δ方法减少了电磁干扰和其他瞬态噪声的影响，因为它的本质是每次转换使用多个样本，并具有平均滤波功能。在ADI的产品组合中，LTC681x和LTC680x家族代表了电池堆监控器的先进水平，其中18通道版本为LTC6813。
结语
为了应对未来的直流快速充电基础设施面临的挑战，功率变换系统和储能系统是关键。ADI针对储能系统应用所推出的相关解决方案，将能够确保我们能够感知、测量、连接、解读、保护和驱动所有物理现象，获得可靠且稳固的数据。在电动汽车的充电基础设施应用中，高端算法将使用这些数据，确保将大部分能量从可再生资源变换为负荷，提升系统的运作效率。