推动电动汽车快速充电基础设施建设的储能系统与解决方案

随着电动汽车（EV）获得越来越多的市场份额，未来最终将会取代内燃机汽车，而直流快速充电站则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，人们也将希望能在不到15分钟的时间内为电动汽车充满电，想要达到这个目标，在电动汽车快速充电基础设施中，储能系统（ESS）将在其中扮演关键的角色。本文将为您介绍储能系统在电动汽车快速充电的基础设施中的功用，以及由ADI所推出的相关解决方案。

随着电动汽车快速充电的需求快速攀升，消费者对于充电桩等电动汽车快速充电基础设施的需求也相当殷切。考虑到充电站将有多个充电桩，电网需要提供的局部充电峰值功率将超过1MW，电网可能在多个点上崩溃，或者需要投入巨额资金，改善输电线路和集中式发电厂，大幅提高基本负荷。但是，这种负荷是脉冲性的，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。
 
储能系统可以简单而优雅地解决这个问题。就像我们使用汽油、天然气等燃料来存储能量，并在需要时（如在为汽车加油时）再次利用。同理，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。
 
对电动汽车来说，在家里时，要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；当上街时，则通过充电桩快速充电，或者在未来的加油站超快地充电。
 
另一方面，在电动汽车市场快速崛起的同时，可再生能源发电市场（像是太阳能光伏（PV）系统、风能发电系统）仍保持着良好的增长势头，这与过去10年太阳能系统价格下降约80%和强有力的脱碳举措是分不开的。当前太阳能仅占全球发电量的5%以下，预计到2050年预计将占全球发电量的三分之一（33%）以上。

在未来用电负荷呈现间歇性特点的背景下，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要求提高输电线路规格，满足更高功率峰值需求。
 
太阳能发电将改变集中式发电厂的运作方式，以确保电网不过载；人们将会要求更便捷的供电方式，他们家里的自用电将越来越多地由住宅太阳能发电系统提供。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受益，储能系统必须参与其中，确保我们可以存储和重用需求低时产生的电能（例如，晚上使用中午产生的太阳能），利用多余的能量来平衡电网负荷。
 
储能系统相当于电能领域的油罐或煤炭仓库，可以用于住宅和工业规模的多种应用当中。在住宅应用中，很容易将光伏逆变器接入蓄电池，在家存储和使用能量，或者用太阳白天产生的能量在晚上为汽车充电。在工业或公用事业规模的应用（如并网服务）中，储能系统可用于不同目的：从调节光伏和风能到能源套利，从后备支持到黑启动（消除柴油发电机），重要的是从总成本角度考虑，可以延缓投资。在后一种情况下，可以利用储能系统满足电网节点峰值负荷需求，确保无需付出高昂成本、升级现有输电线路。
 
另一个相关应用案例则是离网设施，此时，储能系统使微电网或岛屿电能能够自给自足。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，相比当前的10 GW发电量/20 GWh产能，可谓迅猛增长。

充电站有四个功率变换系统均基于主直流母线，额定直流电压为1000V至1500V。所需功率越高，直流母线电压就越高。1500V直流代表着当今以及未来20年的行业标准。以光伏逆变器为例，它具有双重功能，一是DC-DC变换器（用于从光伏面板到直流母线的电源路径），二是DC-AC逆变器（用于从光伏面板到交流母线再到电网的电源路径）。DC-DC变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）逆变器当中。
 
就新式的电力电子设计而言，用基于碳化硅（SiC）功率MOSFET设计的变换器可才实现高效率。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）。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，对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。
 
ADI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。
 
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可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。
 
虽然功率变换器是功率变换路径的基础，但在储能系统中，确保最佳总拥有成本的关键组件是电池管理／监控系统（BMS）。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∑-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。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，18通道版本为LTC6813。
 
总之，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，可将ADuM4136隔离式栅极驱动器分别与LT3999电源控制器（用于采用SiC MOSFET设计的功率变换级）和LTC6813电池监控器件（用于储能电池）结合起来，将可大幅提升储能系统的运作效率。

前面提到的ADI ADuM4136是一款单电源／双电源高电压隔离IGBT栅极驱动器，专门针对驱动绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）进行了优化。ADI公司的iCoupler®技术在输入信号与输出栅极驱动器之间实现隔离，其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。
 
ADI公司芯片级变压器还提供芯片高压侧与低压侧之间的控制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用的管脚读取。当器件副边出现故障时，可以在原边对复位操作进行控制。去饱和检测电路集成在ADuM4136上，提供高压短路IGBT工作保护。去饱和保护包含降低噪声干扰的功能，比如在开关动作之后提供312 ns（典型值）的屏蔽时间，用来屏蔽初始导通时产生的电压尖峰。内部537 µA（典型值）电流源可确保很少的器件数量，且如需提高抗噪水平，内部消隐开关也支持增加外部电流源。此外，还需要考虑将副边UVLO设置为IGBT通用的12 V阈值水平。
 
另一款ADI LT3999则是一款单片式、高电压、高频率，具有占空比控制功能的低噪声、1A、1MHz推挽式DC/DC驱动器，其可提供具有小巧解决方案占板面积的隔离电源。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。
 
此外，ADI LTC6813-1则是一款集成菊花链接口的18单元电池监控器，可测量多达18个串联连接电池的电压，并具有小于2.2mV的总测量误差。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。所有18节电池可在290µs之内完成测量，并且可以选择较低的数据采集速率以实现高的噪声抑制。
 
可把多个LTC6813-1器件串接起来，因而能够在长的高电压电池串中实现电池的同时监视。每个LTC6813-1具有一个isoSPI接口，用于实现高速、具有抗RF干扰能力的远程通信。多个器件采用菊链式连接，且所有器件采用一根主处理器接线。该菊链可进行双向运作，从而确保通信的完整性，即使在通信通路沿线上发生故障的情况下也不例外。
 
LTC6813-1可直接从电池组或一个隔离式电源供电。LTC6813-1拥有针对每节电池的电荷被动平衡功能，和用于每节电池的个别PWM占空比控制。其他特点包括一个内置的5V稳压器、9根通用的I/O线和一种睡眠模式（在该模式中电流消耗减小至6µA）。

综观电动车与再生能源的快速发展，直流快速充电基础设施正面临供电峰值高、电网负载波动大、间歇性能源整合困难等多重挑战。储能系统作为电能领域的“缓冲池”，不仅能平抑尖峰负荷、推迟电网升级投资，更能有效衔接太阳能与风能，实现清洁能源的时移利用，是支撑未来充电网络稳定运行的关键环节。由ADI所提供的解决方案从功率转换到电池管理，展现了完整的技术布局，ADI的创新方案将持续赋能电动车生态系，推动绿色交通从愿景走向日常，让“15分钟满电出发”的便利与永续兼得。