在剛剛閉幕的十三屆全國人大三次會議上，國務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，充電樁與5G應用等多項重點基礎設施建設項目一起被作為加強新型基礎設施建設，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡，激發(fā)新消費需求、助力產(chǎn)業(yè)升級的關鍵產(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，為達成“車樁相隨、智能高效”的充電基礎設施體系規(guī)劃目標加注了強大動能。
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，充電基礎設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，都特別將建設充電樁作為助力產(chǎn)業(yè)升級的關鍵內(nèi)容之一。隨著政府和社會的積極產(chǎn)業(yè)部署，充電樁基礎設施的完備將有望徹底解決嚴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頻率非常關鍵。” 張松剛指出。
半導體技術的進步讓功率MOSFET器件開關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器件可以達到更高的開關頻率。“驅(qū)動方式是達到這些開關器件所能支持的開關頻率的關鍵，而開關頻率決定著系統(tǒng)設計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關頻率對柵極驅(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)等指標對提升充電樁功率和效率發(fā)揮著關鍵的影響。” 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鍵。”與傳統(tǒng)的基于光學隔離式柵極驅(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的開關頻率驅(qū)動SiC MOSFET；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批次不符合國標要求，風險監(jiān)測發(fā)現(xiàn)樣品四個項目不符合國標要求，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通路徑，從而提升安全性能。
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負責電源管理/數(shù)字電源/iCoupler應用的專家Bernhard Strzalkowski博士就曾撰文指出，在高度可靠、高性能的應用中，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，釋放的電流會導致MOSFET/IGBT損壞、封裝爆炸、等離子體排出到環(huán)境中，一部分進入柵級驅(qū)動電路的電流會導致電氣過載。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年充電設施的發(fā)展規(guī)劃，且提及多項儲能相關任務目標，包括緊密跟蹤分布式光伏、儲能政策、技術、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)《關于加快充電基礎設施綜合體建設的通知》也有類似的表述，鼓勵投資單位以充電樁設施+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，但也給相關基礎設施建設提出了挑戰(zhàn)——如何經(jīng)濟有效的滿足充電站峰值負荷要求？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。如此高的峰值負載功率可能導致電網(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，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準備了雙向充電技術，國家電網(wǎng)也正逐步推進V2G項目，探索出成本合理、業(yè)務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)的布局應該是未來的發(fā)展趨勢，當前該類應用還處于市場探索階段。”張松剛表示。
結(jié)束語：
為了應對未來的直流快速充電基礎設施面臨的挑戰(zhàn)，優(yōu)化的大功率直流充電系統(tǒng)和大負荷能力的供電側(cè)是關鍵。作為高性能模擬技術提供商，ADI在電力應用領域?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、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鍵的助推力量。“其實這些系統(tǒng)中還有更多領域需要重點關注，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。