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两会再传充电桩产业利好,以高效率、大功率充电解决方案迎接新基建风口

2020-06-08
来源:ADI
关键词: ADI 充电桩 新基建

在刚刚闭幕的十三届全国人大三次会议上,国务院总理李克强在政府工作报告中提出重点支持既促消费惠民生又调结构增后劲的“两新一重”建设,充电桩与5G应用等多项重点基础设施建设项目一起被作为加强新型基础设施建设,发展新一代信息网络,激发新消费需求、助力产业升级的关键产业布局。政府工作报告为充电桩产业的快速、高质量发展吹响了集结号,为达成“车桩相随、智能高效”的充电基础设施体系规划目标加注了强大动能。

 

据中国充电联盟统计,截至2019年底全国充电桩总数为121.9万根,车桩比仅为3.1:1,充电基础设施依然是新能源汽车产业链主要短板。“年初的新基建计划和最新的两会政府工作报告中,都特别将建设充电桩作为助力产业升级的关键内容之一。随着政府和社会的积极产业部署,充电桩基础设施的完备将有望彻底解决严重制约电动汽车市场的‘里程焦虑’。”ADI公司工业与能源事业部市场经理张松刚在最近的一场活动指出。作为为电动汽车电池系统管理提供了最广泛解决方案的企业,ADI同样提供了业内领先的充电桩电力计量、直流变换模块、充电控制器等主要功能模块解决方案。

 

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ADI公司工业与能源事业部市场经理张松刚

 

新基建为电动汽车普及加速,大功率充电桩解除关键掣肘

《2019北京市新能源汽车充电行为报告》显示:用户单笔平均充电量22.15kWh,单笔使用公共快充桩充电时长1.32小时,公共慢充桩充电时长5.09小时(不包括排队时间)。值得注意的是,根据合格证数据统计,我国新增纯电动汽车单车带电量从2015年1月的22.2kWh提升到2020年1月的48.3kWh,22.15kWh只能补充纯电动乘用车50%-80%的电量,大功率直流充电桩建设势在必行。“如果纯电动车要解锁如同燃油车一般的‘快速回血’技能,就必须借助更大功率的充电桩。但功率提高带来的问题是充电桩尺寸增大、热管理等问题,要兼顾充电桩尺寸、效率和功率,提高功率器件的开关频率非常关键。” 张松刚指出。

 

半导体技术的进步让功率MOSFET器件开关频率得到快速有效提升,IGBT从过去的20k左右提升到现在40k到50k,而氮化镓(GaN)和碳化硅(SIC)MOSFET器件可以达到更高的开关频率。“驱动方式是达到这些开关器件所能支持的开关频率的关键,而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高,采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率发挥着关键的影响。” 张松刚表示。

解锁大功率直流充电,隔离式栅极驱动器是关键

为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极,使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。张松刚指出:“隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸,正确选择这类解决方案非常关键。”与传统的基于光学隔离式栅极驱动器相比,ADI提供的iCoupler隔离式栅极驱动器提供了良好的栅极驱动特性和隔离性能。

 

据张松刚分析,传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(150—200纳秒),而iCoupler隔离式栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右,从而大降低减小了传输延迟,并且传输延时一致性更好,更低的传输延迟和延时一致性对于提高开关频率和效率具有重要作用。此外,隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一,iCoupler隔离式栅极驱动器更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说,即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。

 

张松刚以ADI最新的ADuM4136为例分析了iCoupler隔离式栅极驱动器的特性: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1200V的单个或并联SiC MOSFET。“iCoupler磁隔离的固有优势使得这些特性明显优于光隔离栅极驱动器,可以确保充电机在不牺牲效率的情况下,在功率变换器中实现超高的功率密度。”张松刚指出。

 

此外,从功能安全和用户人生和财产安全来说,良好的隔离性能也非常关键。《2019新能源汽车消费市场研究报告》披露,20.65%的公共充电桩发生故障。此外,央视曾经报道指出9家企业的10个批次的充电桩产品中,7批次不符合国标要求,风险监测发现样品四个项目不符合国标要求,容易起火或导致触电。因此,充电机功能电路中的隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能就非常关键,实现充电模块中功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径,从而提升安全性能。

 

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破坏试验证明,在最坏的情况下,iCoupler隔离式栅极驱动器不会影响隔离的耐受性能。

 

ADI负责电源管理/数字电源/iCoupler应用的专家Bernhard Strzalkowski博士就曾撰文指出,在高度可靠、高性能的应用中,隔离式栅级驱动器需要确保隔离栅在所有情况下完好无损,由于功率密度极高,所以在制作驱动器芯片时需要保证即使芯片本身出现故障仍然能够保持电隔离。为此,他进行了专门的破坏性试验试验:即在最坏的情况下,高功率MOSFET/IGBT发生故障时逆变器几千μF的电容组会快速放电,释放的电流会导致MOSFET/IGBT损坏、封装爆炸、等离子体排出到环境中,一部分进入栅级驱动电路的电流会导致电气过载。试验结果证明,在最坏的情况下,对输出芯片施加高功率时,驱动器输出引脚附近会出现小范围损坏,这个试验不会影响隔离的耐受性能。

新基建风口下的大功率普及趋势,如何为充电桩“赋能”?

前不久国网营销部印发的2020年智能用电专业工作要点中,明确了国网对于2020年充电设施的发展规划,且提及多项储能相关任务目标,包括紧密跟踪分布式光伏、储能政策、技术、产业发展,研究对电网的影响以及电动汽车、客户侧储能、分布式电源参与的负荷平衡,等等。而前不久新疆自治区发展改革委印发《关于加快充电基础设施综合体建设的通知》也有类似的表述,鼓励投资单位以充电桩设施+分布式能源+储能项目+商业综合体方式投资。

 

事实上,充电桩的大功率化、广泛部署是必然的趋势,但也给相关基础设施建设提出了挑战——如何经济有效的满足充电站峰值负荷要求?例如一个二十个充电桩的充电站要满足全天候的充电状态,电网需要提供的局部充电峰值功率超过1 MW。如此高的峰值负载功率可能导致电网在多个点上崩溃,或者需要投入巨额资金改善输电线路和集中式发电厂以大幅提高基本负荷能力。“增加储能系统可以利用此储备能量增加电动汽车充电负荷能力,储能系统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充电电源。”对此张松刚给出了这样的解决方案思路。

 

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未来电动汽车充电站的功率变换系统配置示意图

 

储能系统除了缓解充电峰值对电网的压力外,还可以借助配套的可再生能源实现环保降耗目标,甚至在电网高峰期储能系统通过反向供电实现削峰平谷,而这也是电网的一大“刚需”。这也与全球车网互动(V2G)的趋势一致,例如特斯拉为Model 3、Model Y准备了双向充电技术,国家电网也正逐步推进V2G项目,探索出成本合理、业务高效的市场化运营新模式。国家电网华北分部就在前不久首次将车网互动(V2G)充电桩资源正式纳入华北电力调峰辅助服务市场并正式结算。“与V2G一样,储能系统+电网的供电侧的布局应该是未来的发展趋势,当前该类应用还处于市场探索阶段。”张松刚表示。

 

结束语:

为了应对未来的直流快速充电基础设施面临的挑战,优化的大功率直流充电系统和大负荷能力的供电侧是关键。作为高性能模拟技术提供商,ADI在电力应用领域实现可靠的计量、监测和控制方面提供极具竞争力的高质量解决方案,其领先的电池管理系统(BMS)解决方案、DCDC电源管理、高可靠性隔离技术、系统级混合信号转换,以及针对电动汽车充电器优化的整个信号和电源链产品,在这波新基建热潮下有望成为关键的助推力量。“其实这些系统中还有更多领域需要重点关注,包括了从电流计量到故障保护器件,从气体检测到功能安全都极其重要,ADI公司目前正在积极研发所有这些子系统,确保我们的客户能够在能量转化、测量、连接、保护和驱动所有环节获得高效率且鲁棒的解决方案。”张松刚表示。

 


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