【導(dǎo)讀】剛剛閉幕的十三屆全國人大三次會議上，國務(wù)院總理李克強在政府工作報告中提出重點支持既促消費惠民生又調(diào)結(jié)構(gòu)增后勁的“兩新一重”建設(shè)，充電樁與5G應(yīng)用等多項重點基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目一起被作為加強新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，激發(fā)新消費需求、助力產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)布局。政府工作報告為充電樁產(chǎn)業(yè)的快速、高質(zhì)量發(fā)展吹響了集結(jié)號，為達(dá)成“車樁相隨、智能高效”的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系規(guī)劃目標(biāo)加注了強大動能。
據(jù)中國充電聯(lián)盟統(tǒng)計，截至2019年底全國充電樁總數(shù)為121.9萬根，車樁比僅為3.1:1，充電基礎(chǔ)設(shè)施依然是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈主要短板。“年初的新基建計劃和最新的兩會政府工作報告中，都特別將建設(shè)充電樁作為助力產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵內(nèi)容之一。隨著政府和社會的積極產(chǎn)業(yè)部署，充電樁基礎(chǔ)設(shè)施的完備將有望徹底解決嚴(yán)重制約電動汽車市場的‘里程焦慮’。”ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部市場經(jīng)理張松剛在最近的一場活動指出。作為為電動汽車電池系統(tǒng)管理提供了最廣泛解決方案的企業(yè)，ADI同樣提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的充電樁電力計量、直流變換模塊、充電控制器等主要功能模塊解決方案。
ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部市場經(jīng)理張松剛
新基建為電動汽車普及加速，大功率充電樁解除關(guān)鍵掣肘
《2019北京市新能源汽車充電行為報告》顯示：用戶單筆平均充電量22.15kWh，單筆使用公共快充樁充電時長1.32小時，公共慢充樁充電時長5.09小時（不包括排隊時間）。值得注意的是，根據(jù)合格證數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國新增純電動汽車單車帶電量從2015年1月的22.2kWh提升到2020年1月的48.3kWh，22.15kWh只能補充純電動乘用車50%-80%的電量，大功率直流充電樁建設(shè)勢在必行。“如果純電動車要解鎖如同燃油車一般的‘快速回血’技能，就必須借助更大功率的充電樁。但功率提高帶來的問題是充電樁尺寸增大、熱管理等問題，要兼顧充電樁尺寸、效率和功率，提高功率器件的開關(guān)頻率非常關(guān)鍵。” 張松剛指出。
半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓功率MOSFET器件開關(guān)頻率得到快速有效提升，IGBT從過去的20k左右提升到現(xiàn)在40k到50k，而氮化鎵（GaN）和碳化硅（SIC）MOSFET器件可以達(dá)到更高的開關(guān)頻率。“驅(qū)動方式是達(dá)到這些開關(guān)器件所能支持的開關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開關(guān)頻率決定著系統(tǒng)設(shè)計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關(guān)頻率對柵極驅(qū)動器的要求越來越高，采用的柵極驅(qū)動器的傳輸延遲、死區(qū)時間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標(biāo)對提升充電樁功率和效率發(fā)揮著關(guān)鍵的影響。” 張松剛表示。
解鎖大功率直流充電，隔離式柵極驅(qū)動器是關(guān)鍵
為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。張松剛指出：“隔離式柵極驅(qū)動器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標(biāo)將決定直流模塊的整體功率、效率和系統(tǒng)尺寸，正確選擇這類解決方案非常關(guān)鍵。”與傳統(tǒng)的基于光學(xué)隔離式柵極驅(qū)動器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器提供了良好的柵極驅(qū)動特性和隔離性能。
據(jù)張松剛分析，傳統(tǒng)光耦合隔離的方式傳輸延時時間長（150—200納秒），而iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器傳輸延時在50—60個納秒左右，從而大降低減小了傳輸延遲，并且傳輸延時一致性更好，更低的傳輸延遲和延時一致性對于提高開關(guān)頻率和效率具有重要作用。此外，隔離柵極驅(qū)動器的死區(qū)時間也是關(guān)鍵特性之一，iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器更低的死區(qū)時間將有效降低損耗。對于大規(guī)模部署的充電樁來說，即使零點幾個百分點效率提升都具有很大經(jīng)濟(jì)和社會效益。
張松剛以ADI最新的ADuM4136為例分析了iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器的特性：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SiC MOSFET；加上去飽和保護(hù)等快速故障管理功能，設(shè)計人員可以正確驅(qū)動高達(dá)1200V的單個或并聯(lián)SiC MOSFET。“iCoupler磁隔離的固有優(yōu)勢使得這些特性明顯優(yōu)于光隔離柵極驅(qū)動器，可以確保充電機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。”張松剛指出。
此外，從功能安全和用戶人生和財產(chǎn)安全來說，良好的隔離性能也非常關(guān)鍵。《2019新能源汽車消費市場研究報告》披露，20.65%的公共充電樁發(fā)生故障。此外，央視曾經(jīng)報道指出9家企業(yè)的10個批次的充電樁產(chǎn)品中，7批次不符合國標(biāo)要求，風(fēng)險監(jiān)測發(fā)現(xiàn)樣品四個項目不符合國標(biāo)要求，容易起火或?qū)е掠|電。因此，充電機功能電路中的隔離式柵極驅(qū)動器發(fā)揮的隔離功能就非常關(guān)鍵，實現(xiàn)充電模塊中功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導(dǎo)通路徑，從而提升安全性能。
兩會再傳充電樁產(chǎn)業(yè)利好，以高效率、大功率充電解決方案迎接新基建風(fēng)口
破壞試驗證明，在最壞的情況下，iCoupler隔離式柵極驅(qū)動器不會影響隔離的耐受性能。
ADI負(fù)責(zé)電源管理/數(shù)字電源/iCoupler應(yīng)用的專家Bernhard Strzalkowski博士就曾撰文指出，在高度可靠、高性能的應(yīng)用中，隔離式柵級驅(qū)動器需要確保隔離柵在所有情況下完好無損，由于功率密度極高，所以在制作驅(qū)動器芯片時需要保證即使芯片本身出現(xiàn)故障仍然能夠保持電隔離。為此，他進(jìn)行了專門的破壞性試驗試驗：即在最壞的情況下，高功率MOSFET/IGBT發(fā)生故障時逆變器幾千μF的電容組會快速放電，釋放的電流會導(dǎo)致MOSFET/IGBT損壞、封裝爆炸、等離子體排出到環(huán)境中，一部分進(jìn)入柵級驅(qū)動電路的電流會導(dǎo)致電氣過載。試驗結(jié)果證明，在最壞的情況下，對輸出芯片施加高功率時，驅(qū)動器輸出引腳附近會出現(xiàn)小范圍損壞，這個試驗不會影響隔離的耐受性能。
新基建風(fēng)口下的大功率普及趨勢，如何為充電樁“賦能”？
前不久國網(wǎng)營銷部印發(fā)的2020年智能用電專業(yè)工作要點中，明確了國網(wǎng)對于2020年充電設(shè)施的發(fā)展規(guī)劃，且提及多項儲能相關(guān)任務(wù)目標(biāo)，包括緊密跟蹤分布式光伏、儲能政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究對電網(wǎng)的影響以及電動汽車、客戶側(cè)儲能、分布式電源參與的負(fù)荷平衡，等等。而前不久新疆自治區(qū)發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于加快充電基礎(chǔ)設(shè)施綜合體建設(shè)的通知》也有類似的表述，鼓勵投資單位以充電樁設(shè)施+分布式能源+儲能項目+商業(yè)綜合體方式投資。
事實上，充電樁的大功率化、廣泛部署是必然的趨勢，但也給相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了挑戰(zhàn)——如何經(jīng)濟(jì)有效的滿足充電站峰值負(fù)荷要求？例如一個二十個充電樁的充電站要滿足全天候的充電狀態(tài)，電網(wǎng)需要提供的局部充電峰值功率超過1 MW。如此高的峰值負(fù)載功率可能導(dǎo)致電網(wǎng)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)電廠以大幅提高基本負(fù)荷能力。“增加儲能系統(tǒng)可以利用此儲備能量增加電動汽車充電負(fù)荷能力，儲能系統(tǒng)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充電電源。”對此張松剛給出了這樣的解決方案思路。
未來電動汽車充電站的功率變換系統(tǒng)配置示意圖
儲能系統(tǒng)除了緩解充電峰值對電網(wǎng)的壓力外，還可以借助配套的可再生能源實現(xiàn)環(huán)保降耗目標(biāo)，甚至在電網(wǎng)高峰期儲能系統(tǒng)通過反向供電實現(xiàn)削峰平谷，而這也是電網(wǎng)的一大“剛需”。這也與全球車網(wǎng)互動（V2G）的趨勢一致，例如特斯拉為Model 3、Model Y準(zhǔn)備了雙向充電技術(shù)，國家電網(wǎng)也正逐步推進(jìn)V2G項目，探索出成本合理、業(yè)務(wù)高效的市場化運營新模式。國家電網(wǎng)華北分部就在前不久首次將車網(wǎng)互動（V2G）充電樁資源正式納入華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場并正式結(jié)算。“與V2G一樣，儲能系統(tǒng)+電網(wǎng)的供電側(cè)的布局應(yīng)該是未來的發(fā)展趨勢，當(dāng)前該類應(yīng)用還處于市場探索階段。”張松剛表示。
結(jié)束語：
為了應(yīng)對未來的直流快速充電基礎(chǔ)設(shè)施面臨的挑戰(zhàn)，優(yōu)化的大功率直流充電系統(tǒng)和大負(fù)荷能力的供電側(cè)是關(guān)鍵。作為高性能模擬技術(shù)提供商，ADI在電力應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可靠的計量、監(jiān)測和控制方面提供極具競爭力的高質(zhì)量解決方案，其領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)（BMS）解決方案、DCDC電源管理、高可靠性隔離技術(shù)、系統(tǒng)級混合信號轉(zhuǎn)換，以及針對電動汽車充電器優(yōu)化的整個信號和電源鏈產(chǎn)品，在這波新基建熱潮下有望成為關(guān)鍵的助推力量。“其實這些系統(tǒng)中還有更多領(lǐng)域需要重點關(guān)注，包括了從電流計量到故障保護(hù)器件，從氣體檢測到功能安全都極其重要，ADI公司目前正在積極研發(fā)所有這些子系統(tǒng)，確保我們的客戶能夠在能量轉(zhuǎn)化、測量、連接、保護(hù)和驅(qū)動所有環(huán)節(jié)獲得高效率且魯棒的解決方案。”張松剛表示。
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