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响应碳中和战略,大功率直流桩加速储能发展

admin
2021-04-27
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标签:工业应用

近日,国务院新闻办公室举行新闻发布会,再次以“碳中和、碳达峰”为关键词发布了一系列讲话。国家能源局明确指出,将加快实施能源领域碳达峰行动,制定更加积极的新能源发展目标,大力推动新时代可再生能源大规模、高比例、高质量、市场化发展,加快实施可再生能源替代行动,着力提升新能源消纳和存储能力,积极构建新能源为主体的新型电力系统,并加快储能的规模化发展,推动电力系统全面数字化,构建高效、智慧的调度运行体系。

对于实现碳达峰、碳中和目标,新能源汽车、电动汽车能够起到重要作用,不仅能替代燃油化,直接减少碳排放量,还能作为电力系统的储能装置,在低谷时,系统给它充电;在用电高峰,让电动汽车给系统放电,促进电力系统能力建设提升,是对电力系统非常有利的因素。作为新能源汽车普及的充分必要条件,充电桩的建设和完善在继被纳入“新基建”范畴之后,又在在“碳达峰”和“碳中和”的背景下,被赋予了新的意义。

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数据来源:锦缎研究院

布局直流大功率充电桩,拓宽“双碳”目标道路

按照充电方式不同,充电桩可分为交流桩和直流桩两类。交流桩布局方便、成本低,但充电功率较小;直流桩充电效率高,充电时间短,但制造成本较高。在需要快速铺设的充电桩市场初期,慢充的交流桩依靠着结构简单、技术成熟、成本低的特点,非常适合厂商跑马圈地,因此被广泛投放以抢占市场。据统计,目前公共交、直流充电桩的比例保持在6:4左右,但随着充电桩技术和市场的日渐成熟,直流桩占比必然会不断上升:一是因为电动车主对快充的需求十分强烈,选择直流充电桩可帮助用户提升两到三倍充电速度;而随着直流充电桩铺设的规模逐步扩大,成本均摊会呈现下降趋势;新能源车续航里程的提升使得大功率的直流公共桩实用度提高,是直流桩成为未来公共桩选择方向的关键原因;最后,更快的充电速度能让能源的双向流动大幅提升,充分体现新能源汽车调节作用,利好“双碳“目标的实现。

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数据来源:新浪财经

充电模块是直流桩的核心设备,成本占比50%,伴随技术进步和行业规模的扩大有望进一步下降。2019年直流充电模块成本价格最低降至0.4元/W,为16年的三分之一,14年的五分之一,这极大缓解了充电桩运营商投建直流桩的资金难题,也促进了他们建设更多直流桩的热情。与此同时,动力电池的快充性能决定了快充桩的天花板,直流快充桩想要发展,必不可少需要动力电池的配合。现在的宁德时代、比亚迪等动力厂商电池都在努力提高电池能量密度以加强续航,2019年新上的纯电动乘用车能量密度基本都已经超过120Wh/kg,平均续航里程超过300km。

因此,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。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。

隔离式栅极驱动器打破大功率充电困局

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。设计人员定下的目标开关频率范围为50 kHz至250 kHz。栅极驱动器的要求越来越高,主要体现在传播传输延迟更短、短路保护更好两个方面。

ADI的ADuM4136是一款采用最新iCoupler®技术的隔离式栅极驱动器。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。传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(150-200ns),而ADI iCoupler隔离式栅极驱动器传输延时在50-60个纳秒左右,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。这种隔离技术可实现150 kV/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1200 V的单个或并联SiC MOSFET。

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ADuM4136和LT3999栅极驱动器单元。

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。ADI ADuM4136隔离式栅极驱动器可实现150kV/µs的共模瞬变抗扰度,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,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。

关联精准电池管理,拆解快速充电挑战

虽然iCoupler隔离式栅极驱动器可以带来更高的充电功率,但长期快充下,对电池造成负面影响不可避免,拥有可靠而精确的BMS解决方案,可使电池使用寿命延长30%。为此,负责控制充电站能量流的能量管理系统必须非常准确地了解储能电池的SOC和健康状态(SOH)。精确可靠的SOC和SOH计算最长可使电池寿命延长10年至20年,由于延长了电池的使用寿命,因此可将运营成本和拥有成本降低至少30%。再加上更准确的SOC信息,我们就能使用电池中存储的所有能量,以最优方式对电池充电,杜绝过充或过放电。

实现精确监控的办法是使用多单元电池监控IC。ADI提供一款多节电池的电池组监视器LTC6813,可测量多达18个串联连接电池的电压,并具有小于2.2mV 的总测量误差。所有18节电池可在290μs之内完成测量,并且可以选择较低的数据采集速率以实现高的噪声抑制。同时可以将多个LTC6813器件串接起来,因而能够在高电压电池串中实现电池的同时监视。每个LTC6813具有一个isoSPI接口,用于实现高速、具有抗RF干扰能力的远程通信。

结语

随着互联网造车势力的不断涌入,新能源汽车将得到进一步的普及,加上新基建、碳中和、碳达峰等政策催化下,大功率直流充电桩产业即将迎来爆发期。ADI提供成熟的iCoupler 隔离技术,配合精准可靠的BMS产品,应对未来的直流快速充电基础设施面临的挑战,加速储能系统规模化发展。

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