考虑到有多个充电桩，电网需求供给的部分充电峰值功率超越1MW。电网或许在多个点上溃散，或许需求投入巨额资金，改进输电线路和集中式发电厂，大幅进步根本负荷。可是，这种负荷是脉冲性的，有必要与太阳能、风能等可再生动力发生的间歇功用量整合起来。
储能体系可以简略而高雅地处理这个问题。咱们运用汽油、天然气等燃料来存储能量，并在需求时（如在为轿车加油时）再次运用。同理，咱们可以运用电子和化学办法将电能存储在电池中。然后，可以运用此能量添加电动轿车充电量，经过调理功率峰值，坚持电网安稳，或是在停电的情况下供给电源。
轿车商场已开端发生改动。2020年将售出近300万辆电动轿车，轿车总销量超越8000万辆。尽管300万辆看起来归于小众商场，但猜测显现，电动轿车的销量将迅猛添加，2025年到达1000万 辆，2040年将超越5000万辆，到时的轿车总销量为1亿辆。这意味着，到2040年，售出的车辆中有50%是全电动轿车。对一切这些轿车来说，在家里时，要运用简略的壁挂式充电桩，假如是装有太阳能发电体系和储能电池的家庭，则运用几千瓦的直流充电器，通宵慢速充电；上街时，则经过充电桩快速充电，或许在未来的加油站超快地充电。
咱们看到，在电动轿车商场快速兴起的一起，可再生动力发电商场（最近阅历了太阳能光伏(PV)体系蓬勃发展的几年）仍坚持着杰出的添加势头，这与曩昔10年太阳能体系价格下降约80%和 强有力的脱碳行动是分不开的。今日，太阳能仅占全球发电量的5%以下，到2050年估计将占全球发电量的三分之一(33%)以上。
在未来用电负荷出现间歇性特色的布景下，要充电的电动轿车 以及太阳能、风能等间歇性动力将面对一些应战，比方怎么故电网为中心，将动力生态体系里的这些新式参加者整合起来。电动轿车等间歇性负荷需求要求进步输电线路标准，满意更高功率峰值需求。
太阳能发电将改动集中式发电厂的运作办法，保证电网不过载；人们将会要求更快捷的供电办法，他们家里的自用电将越来越多地由住所太阳能发电体系供给。
为了使一切实体顺畅协作并从可再生动力和零排放电动轿车获益，储能体系有必要参加其间，保证咱们可以存储和重用需求低时发生的电能（例如，晚上运用正午发生的太阳能），运用剩余的能量来平衡电网负荷。
储能体系(ESS)相当于电能范畴的油罐或煤炭库房，可以用于住所和工业规划的多种运用傍边。在住所运用中，很简略将光伏逆变器接入蓄电池，在家存储和运用能量，或许用太阳白日产 生的能量在晚上为轿车充电。在工业或共用事业规划的运用（如并网服务）中，储能体系可用于不同意图：从调理光伏和风能到动力套利，从后备支撑到黑发动（消除柴油发电机），最重要的是从总本钱视点考虑，可以推迟出资。在后一种情况下，可以运用储能体系满意电网节点峰值负荷需求，保证无需支付昂扬本钱、晋级现有输电线路。另一个相关运用事例是离网设备，此刻，储能体系使微电网或岛屿电能能自给自足。
图1. 可再生动力、储能体系和电动轿车充电根底设备的整合
考虑到一切或许运用，储能体系商场2045年之前将打破1000 GW发电量/2000 GWh产能的阈值，比较今日的10 GW发电量/20 GWh产能，可谓迅猛添加。
本文将要点评论面向电动轿车充电根底设备的储能体系。
私人和共用沟通充电根底设备尽管简略，但功率有限。1级沟通充电器的作业电压为120 V，最大输出功率为2 kW。2级沟通充电器的作业电压和最大输出功率别离可达240 V和20 kW。在两种情况下，车载充电器都要求将沟通电转化为直流电。壁挂式沟通充电桩与其说是充电器，不如说是计量和维护设备。由于本钱、尺度和分量的约束，轿车车载充电器的额外功率一直低于20 kW。
另一方面，直流充电答应以更高的功率对电动轿车充电：3级充电器的最高额外直流电压和额外功率别离为450 V和150 kW，最新的超级充电器（相当于4级）则可超越800 V和350 kW。出于安全原因，在输出接头刺进车辆时，电压上限设为1000V直流。运用直流充电器时，能量转化是在充电桩中进行的，直流功率输出将充电桩与轿车电池直接衔接起来。这就消除了车载充电器的必要性，一起还有削减占用空间、减轻分量的许多长处。但是，在此过渡阶段，电动轿车充电根底设备依然高度涣散，且因国家/区域而异，电动轿车大都会运用一台11kW的小型车载充电器，运用户能在需求时经过沟通电源插座充电。
进步充电功率需求添加作业电压，保证电流坚持在电缆尺度和本钱的合理规模内，这意味着有必要正确规划设备充电站的微电网或子电网并确认其标准。
咱们无妨想象一款未来（2030年）的充电站，其间的燃料由电子组成，用称为输电线路的管道供给燃料，并经过变压器接入中压(MV)电网。现在，燃料存储在地下的巨大油罐中，定时经过 油罐车运到加油站。尽管一直经过电网供给新燃料（电子）似乎是一种简略的处理方案，没什么问题，但咱们可以看到，假如咱们想让驾驶员可以在不到15分钟的时刻里为电动轿车充溢电，那么这种简略的办法是无法继续的。
充电站有五个直流充电桩，每个充电桩最大可以输出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情况下，五个充电桩一起为彻底耗尽的电池充电，充电站有必要考虑这一点。为了简化核算，咱们现在假 设功率改换级和电池充电途径中的损耗为零。在本文的后边，咱们将看到即便整个电源链中的功率损耗很小，正常的规划也会被影响。
咱们假定有五台电动轿车，每台均装备75 kWh的电池（当今上市的全电动轿车装备的电池容量为30 kWh至120 kWh），需求从10%的电量(SOC)充电至80%：
这意味着需求在15分钟内将262.5 kWh的电能从电网转移到电动轿车上：
电网有必要接连15分钟向这些电动轿车供给略多于1 MW的电能。锂电池的充电进程要求安稳电流、安稳电压充电曲线，使电池充溢80%所需功率大于充溢最终20%所需功率。在咱们的示例中， 假定以最大功率充至80%即中止充电。
充电站地点的电网（最好为子电网）有必要间歇性地坚持大于1MW的峰值。有必要施行十分高效、高度杂乱的有功功率因数校对(PFC)级，保证电网坚持高效，不影响频率，也不形成不安稳。这也意味着有必要设备十分贵重的变压器，将低压充电站接入中压电网，保证将电能从电厂输送到充电站的输电线路在标准上能满意峰值功率需求。假如在充电站充电既有轿车，也有货车和公交车，则所需功率会更高。
最简略、最经济的处理方案是运用太阳能、风能等可再生动力在当地出产的电能，而不是设备新的输电线路和大型变压器。这样用户就可以直连有剩余电能的充电站，而不是彻底依托电网。实践上，可以在充电站或衔接充电站的子电网邻近设备100 kW至500 kW的太阳能光伏(PV)电站。
尽管光伏电源可以供给500 kW的电能，将对电网的功率需求降至500kW，但光伏电源具有间歇性的特色，并非总是存在。这就给电网带来了不安稳问题，使电动轿车驾驶员只能在阳光明媚时以最快的速度为车充电。这并非用户所需，也是不行继续的。
在电力电子的这张拼图中缺少了储能体系。就像当今加油站的地下油罐相同，可以把储能体系视为大型电池，它能将来自可再生动力的电能存储起来并输送至电网、充电桩或回充至电网。储能设备的首要特征是双向性，处于电网的低压端。这种新设备的规划方针是，直流总线电压为1500V，衔接可再生动力、电动轿车充电桩和储能体系电池。还要恰当确认储能体系标准，保证峰值功率和电能容量之间的比率契合详细设备的优化要求。该比率在很大程度上取决于经过太阳能、风能或其他动力在本地发生的电量、充电桩的数量、接入子电网的其他负荷以及功率改换体系的功率。
图2. 未来电动轿车充电站的功率改换
在此核算中，储能体系的容量应在500 kWh至2.5 MWh之间，峰值功率容量最高为2 MW。
咱们上面确认了充电站的要害组件（电源、负荷、能量缓冲），接下来咱们要剖析四个功率改换体系，它们形成了充电站中的能量途径。
四个功率改换体系均根据主直流母线，额外直流电压为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。尽管有或许提出更高的电压要 求，但这会使安全法规、功率组件和体系规划变得愈加杂乱，使现有技能变得低效。但这并不是说在10年后，电源开关、维护体系等新技能不或许完成2000 V或更高的直流电压。
以光伏逆变器为例，咱们看到，它具有两层功用，一是DC-DC改换器（用于从光伏面板到直流母线的电源途径），二是DC-AC逆变器（用于从光伏面板到沟通母线再到电网的电源途径）。 DC-DC改换级在这儿是最重要的，由于AC-DC级也可以集成到从直流母线到沟通电网的主双向功率因数校对(PFC)逆变器傍边。就最新的电力电子规划而言，用根据碳化硅(SiC)功率MOSFET规划的改换器可才完成最高功率。与硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较后显现，功率进步了5%（最大负载）到20%（部分负载）。在咱们的示例中，运用额外功率为500 kW的光伏逆变器，功率进步 5%意味着损耗削减了25 kW，或许功率输出添加了25 kW，相当于五所房子的能耗或许一台大型热泵出产热水或在夏天冷却充电站修建的能量。
关于直流充电桩和储能体系充电器都可以进行高度类似的核算。在这两种情况下，两种规划办法都是可行的：并行运用额外功率大于100 kW的大型单片功率改换器或额外功率为25 kW至 50 kW的多个小型改换器。两种处理方案都有其长处和缺陷。现在，得益于经济规划和简化规划，本钱下降，小型改换器多连成为商场的干流。当然，有必要选用智能动力办理体系。
即便关于这些DC-DC改换器，从硅IGBT转向SiC MOSFET带来了巨大的功率优势，还节约了空间，减小了分量，但价格却略有添加——现在增幅为25%，估计往后五年会降至5%。仅功率进步 自身就足以抵销稍微上升的本钱（假定在最大负荷下，本钱添加5%）：
最终，在PFC逆变器中，1 MW的5%为50 kW，只是由于运用功率更高的SiC而非IGBT，就可以一共节约250 kW的功率。这相当于添加一个充电桩，或许有或许更好地平衡超时能耗与实践负荷 需求。
正如咱们所说，要取得这些成果，需求选用SiCMOSFET，但它们不能独自处理问题。SiCMOSFET的驱动办法是到达所需开关频率的要害，而开关频率决议着体系规划本钱（受MOSFET、线圈和 电感器影响）与功率之间的最佳平衡。规划人员定下的方针开关频率规模为50 kHz至250 kHz。栅极驱动器的要求越来越高，首要体现在传输推迟更短、短路维护更好两个方面。
ADI的ADuM4136是一款选用最新iCoupler® 技能的阻隔式栅极驱动器。这种阻隔技能可完成150kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI)，以数百kHz的开关频率驱动SiCMOSFET。加上去饱满维护等快速毛病办理功用，规划人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET。
阻隔式栅极驱动器有必要有电源驱动，咱们在ADI运用笔记AN-2016中展现了ADuM4136栅极驱动器与LT3999 推挽式操控器的组合怎么成为一种无噪声的高效构建模块，用于正确办理SiC MOSFET。LT3999用于操控ADuM4136的双极性阻隔电源。LT3999阻隔电源选用 超低EMI噪声规划，开关频率高达1MHz，可以成果经济高效的紧凑式处理方案。
总传输推迟（包含死区时刻和传输推迟）在接通时为226 ns，断开时为90 ns。驱动器的推迟时刻在接通时为66 ns，断开时为68 ns，死区时刻在接通时为160 ns，断开时为22 ns。
可以在不献身功率的情况下，在功率改换器中完成超高的功率密度。
图3. ADuM4136和LT3999栅极驱动器单元
尽管功率改换器是功率改换途径的根底，但在储能体系中，保证最佳总具有本钱的要害组件是电池办理/监控体系(BMS)。咱们经过拆分价格发现，关于兆瓦级储能体系，一半以上的本钱来自电池架：现在约为200美元/kWh，估计到2025年将降至100美元/kWh。具有牢靠而精确的BMS处理方案，可使电池运用寿数延伸30%，节约巨大的本钱，简化整个充电站的可操作性。维护削减意味着作业时刻延伸，用户不会遇到问题，削减修理相关危险，然后进步安全水平。
为了取得这些作用，担任操控充电站能量流的能量办理体系有必要十分精确地了解储能电池的SOC和健康状况(SOH)。精确牢靠的SOC和SOH核算最长可使电池寿数延伸10年至20年，一般可以 将运用寿数添加30%，而不添加BMS相关电子器材本钱。由于延伸了电池的运用寿数，因而可将运营本钱和具有本钱下降至少30%。再加上更精确的SOC信息，咱们就能运用电池中存储的一切能量，以最优办法对电池充电，根绝过充或过放电；过充、过放电问题或许在很短的时刻内耗尽电池电能，形成短路、火灾等险情。为了完成猜测性维护，保证能量和功率流得到恰当的办理，了解电池SOC和SOH意味着需求猜测和调整电网安稳、电动轿车充电进程以及车网(V2G)衔接（其间车辆也被视为存储设备）中运用的各种算法。
完成精确监控的办法是运用多单元（最多18个单元）电池监控IC，总丈量差错小于2.2 mV。可在290μs内丈量一切18个电池单元，并挑选较低的数据收集速率以便降噪。可将多个电池堆监控器材串联，以便一起监控很长的高压电池串。每个电池堆监控器都有一个阻隔式串行外设接口(isoSPI)，用于高速、RF抗扰、远距离通讯。多个器材以菊花链方式衔接，并为一切器材衔接 一个主机处理器。该菊花链可双向操作，即便通讯途径犯错，也能保证通讯完整性。电池堆可直接为IC供电，也可选用阻隔电源为其供电。IC具有用于每个电池单元的被动式均衡和别离的PWM占空比操控功用。其他特性包含一个片内5 V调理器、9条通用I/O口线和睡觉形式（在此形式下，功耗降至6 μA）。
BMS运用具有短期和长时间精度需求，IC运用埋葬式齐纳转化 基准电压源而非带隙基准电压源。这可以供给安稳的低漂移(20 ppm/√kh)、低温度系数(3 ppm/°C)、低滞回(20 ppm)原边电压基准 源以及超卓的长时间安稳性。这种精度和安稳性至关重要，是一切后续电池单元丈量的根底，这些差错对所获-数据的可信度、算法一致性和体系功用会发生累积影响。
尽管高精度基准电压源是保证杰出功用的必要功用，但光凭该功用还不行。AC-DC改换器架构及其操作有必要契合电噪声环境要求，这是体系大电流/电压逆变器的脉宽调制(PWM)瞬态特性的结 果。精确评价电池的SOC和SOH还需求相关的电压、电流和温度丈量。
为了在影响BMS功用之前减轻体系噪声，电池堆监控器内部用的转化器运用了一个∑-Δ拓扑结构，并在六个由用户挑选的滤波器选项辅佐处理噪声环境。∑-Δ办法削减了电磁搅扰和其他瞬态噪声的影响，由于它的实质是每次转化运用多个样本，并具有均匀滤波功用。
在ADI的产品组合中，LTC681x和LTC680x宗族代表了电池堆监控器的最先进水平。18通道版别为LTC6813。
总归，为了应对未来的直流快速充电根底设备面对的应战，功率改换体系和储能体系是要害。咱们给出了两个比如，将ADuM4136阻隔式栅极驱动器别离与LT3999电源操控器（用于选用 SiC MOSFET规划的功率改换级）和LTC6813电池监控器材（用于储能电池）结合起来。其实这些体系中还有更多范畴需求要点重视，包含了从电流计量到毛病维护器材，从气体检测到功用安全，它们都是极其重要的，能带来很多长处，ADI公司现在正在活跃研制一切这些子体系，保证咱们可以感知、丈量、衔接、解读、维护和驱动一切物理现象，取得牢靠且鲁棒的数据。高端算法将运用这些数据，保证将大部分能量从可再生资源改换为负荷（这儿指电动轿车）。
Stefano Gallinaro
作者简介
Stefano Gallinaro于2016年参加ADI公司，在可再生动力事务部作业。他担任办理太阳能、电动轿车、充电和储能范畴的战略营销活动，一起特别重视功率转化。作业地点在慕尼黑，担任全球事务。
Stefano在意大利都灵理工大学攻读电子工程学士学位。他的职业生涯始于意大利奥斯塔的STMicroelectronics Srl—DORA S.p.A.，担任运用工程师。在2016年参加ADI之前，他在德国安达赫治Vincotech GmbH担任产品营销司理长达两年半。
