據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2019年底全國(guó)充電樁總數(shù)為121.9萬(wàn)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(jì)劃和最新的兩會(huì)政府工作報(bào)告中，都特別將建設(shè)充電樁作為助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。隨著政府和社會(huì)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(dòng)汽車市場(chǎng)的‘里程焦慮’。”ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理張松剛在最近的一場(chǎng)活動(dòng)指出。作為為電動(dòng)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(jì)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(chǎng)經(jīng)理張松剛 

 

新基建為電動(dòng)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(bào)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(shí)長(zhǎng)1.32小時(shí)，公共慢充樁充電時(shí)長(zhǎng)5.09小時(shí)（不包括排隊(duì)時(shí)間）。值得注意的是，根據(jù)合格證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)新增純電動(dòng)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(bǔ)充純電動(dòng)乘用車50%-80%的電量，大功率直流充電樁建設(shè)勢(shì)在必行。“如果純電動(dòng)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(lái)的問(wèn)題是充電樁尺寸增大、熱管理等問(wèn)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(guò)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(dòng)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(jì)成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關(guān)頻率對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的要求越來(lái)越高，采用的柵極驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲、死區(qū)時(shí)間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標(biāo)對(duì)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(dòng)器是關(guān)鍵

 

為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極，使用專門驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。張松剛指出：“隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供了良好的柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)間長(zhǎng)（150—200納秒），而iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器傳輸延時(shí)在50—60個(gè)納秒左右，從而大降低減小了傳輸延遲，并且傳輸延時(shí)一致性更好，更低的傳輸延遲和延時(shí)一致性對(duì)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(dòng)器的死區(qū)時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一，iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器更低的死區(qū)時(shí)間將有效降低損耗。對(duì)于大規(guī)模部署的充電樁來(lái)說(shuō)，即使零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)效率提升都具有很大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(dòng)器的特性：可實(shí)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(dòng)SiC MOSFET；加上去飽和保護(hù)等快速故障管理功能，設(shè)計(jì)人員可以正確驅(qū)動(dòng)高達(dá)1200V的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET。“iCoupler磁隔離的固有優(yōu)勢(shì)使得這些特性明顯優(yōu)于光隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，可以確保充電機(jī)在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實(shí)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(cái)產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)，良好的隔離性能也非常關(guān)鍵?！?019新能源汽車消費(fèi)市場(chǎng)研究報(bào)告》披露，20.65%的公共充電樁發(fā)生故障。此外，央視曾經(jīng)報(bào)道指出9家企業(yè)的10個(gè)批次的充電樁產(chǎn)品中，7批次不符合國(guó)標(biāo)要求，風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)樣品四個(gè)項(xiàng)目不符合國(guó)標(biāo)要求，容易起火或?qū)е掠|電。因此，充電機(jī)功能電路中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)揮的隔離功能就非常關(guān)鍵，實(shí)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(huì)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(yàn)證明，在最壞的情況下，iCoupler隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不會(huì)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(jí)驅(qū)動(dòng)器需要確保隔離柵在所有情況下完好無(wú)損，由于功率密度極高，所以在制作驅(qū)動(dòng)器芯片時(shí)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(yàn)試驗(yàn)：即在最壞的情況下，高功率MOSFET/IGBT發(fā)生故障時(shí)逆變器幾千μF的電容組會(huì)快速放電，釋放的電流會(huì)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(jí)驅(qū)動(dòng)電路的電流會(huì)導(dǎo)致電氣過(guò)載。試驗(yàn)結(jié)果證明，在最壞的情況下，對(duì)輸出芯片施加高功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出引腳附近會(huì)出現(xiàn)小范圍損壞，這個(gè)試驗(yàn)不會(huì)影響隔離的耐受性能。

 

新基建風(fēng)口下的大功率普及趨勢(shì)，如何為充電樁“賦能”？

 

前不久國(guó)網(wǎng)營(yíng)銷部印發(fā)的2020年智能用電專業(yè)工作要點(diǎn)中，明確了國(guó)網(wǎng)對(duì)于2020年充電設(shè)施的發(fā)展規(guī)劃，且提及多項(xiàng)儲(chǔ)能相關(guān)任務(wù)目標(biāo)，包括緊密跟蹤分布式光伏、儲(chǔ)能政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究對(duì)電網(wǎng)的影響以及電動(dòng)汽車、客戶側(cè)儲(chǔ)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(lì)投資單位以充電樁設(shè)施+分布式能源+儲(chǔ)能項(xiàng)目+商業(yè)綜合體方式投資。 

 

事實(shí)上，充電樁的大功率化、廣泛部署是必然的趨勢(shì)，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(gè)二十個(gè)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(guò)1 MW。如此高的峰值負(fù)載功率可能導(dǎo)致電網(wǎng)在多個(gè)點(diǎn)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(chǔ)能系統(tǒng)可以利用此儲(chǔ)備能量增加電動(dòng)汽車充電負(fù)荷能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)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(duì)此張松剛給出了這樣的解決方案思路。

 

未來(lái)電動(dòng)汽車充電站的功率變換系統(tǒng)配置示意圖 

 

儲(chǔ)能系統(tǒng)除了緩解充電峰值對(duì)電網(wǎng)的壓力外，還可以借助配套的可再生能源實(shí)現(xiàn)環(huán)保降耗目標(biāo)，甚至在電網(wǎng)高峰期儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)反向供電實(shí)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(dòng)（V2G）的趨勢(shì)一致，例如特斯拉為Model 3、Model Y準(zhǔn)備了雙向充電技術(shù)，國(guó)家電網(wǎng)也正逐步推進(jìn)V2G項(xiàng)目，探索出成本合理、業(yè)務(wù)高效的市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)新模式。國(guó)家電網(wǎng)華北分部就在前不久首次將車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）充電樁資源正式納入華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)并正式結(jié)算。“與V2G一樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)+電網(wǎng)的供電側(cè)的布局應(yīng)該是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前該類應(yīng)用還處于市場(chǎng)探索階段。”張松剛表示。 

 

結(jié)束語(yǔ)：

 

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)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(jì)量、監(jiān)測(cè)和控制方面提供極具競(jìng)爭(zhēng)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(jí)混合信號(hào)轉(zhuǎn)換，以及針對(duì)電動(dòng)汽車充電器優(yōu)化的整個(gè)信號(hào)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(shí)這些系統(tǒng)中還有更多領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注，包括了從電流計(jì)量到故障保護(hù)器件，從氣體檢測(cè)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(cè)量、連接、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)所有環(huán)節(jié)獲得高效率且魯棒的解決方案。”張松剛表示。 

 

 

推薦閱讀：