儲能系統助推電動車快速充電基礎設施建設

作者:ADI策略行銷經理Stefano Gallinaro


摘要

電動車(EV)將獲得越來越多的市場佔有率,最終取代內燃機汽車。直流快速充電站將取代或整合加油站。太陽能、風能等可再生能源將為它們提供動力。人們將希望能在不到15分鐘的時間內為電動車充滿電,因為他們不願排隊等候唯一的充電樁。

考慮到有多個充電樁,電網需要提供的局部充電峰值功率超過1MW。電網可能在多個點上崩潰,或者需要投入巨額資金來改善輸電線路和集中式發電廠,大幅提高基本負荷。但是,這種負荷是脈衝性的,必須與太陽能、風能等可再生能源產生的間歇性能量相整合。

儲能系統可以簡單而優雅地解決這個問題。我們使用汽油、天然氣等燃料來儲存能量,並在需要時(如在為汽車加油時)再次利用。同理,我們可以利用電子和化學方法將電能儲存在電池中。然後,可以利用此能量增加電動車充電量,透過調節功率峰值,保持電網穩定,或是在停電的情況下提供電源。

汽車市場已開始發生轉變。2020年售出近300萬輛電動車,汽車總銷量超過8000萬輛。儘管300萬輛看起來屬於小眾市場,但預測顯示,電動車的銷量將迅速成長,預計2025年將達到1000萬輛,2040年將超過5000萬輛,屆時的汽車總銷量為1億輛。這表示到2040年時,售出的車輛中就有50%會是全電動車。對所有這些汽車來說,當在家裡時,要使用簡單的壁掛式充電樁,如果是已安裝太陽能發電系統和儲能電池的家庭,則使用幾千瓦的直流充電器,通宵慢速充電;外出時,則是透過充電樁快速充電,或者在未來的加油站超快地充電。

我們看到,在電動車市場快速崛起的同時,可再生能源發電市場(最近經歷了太陽能光伏(PV)系統蓬勃發展的幾年)仍保持著良好的增長態勢,這與過去10年太陽能系統價格下降約80%和強力推動減碳是分不開的。今天,太陽能僅占全球發電量的5%以下,到2050年預計將占全球發電量的三分之一(33%)以上。

在未來用電負荷呈現間歇性特點的背景下,要充電的電動車以及太陽能、風能等間歇性能源將面臨一些挑戰,比如如何以電網為中心,將能源生態系統裡的這些新興參與者整合起來。電動車等間歇性負荷需求要求提高輸電線路規格,滿足更高功率峰值需求。

太陽能發電將改變集中式發電廠的運作方式,確保電網不超載;人們將會要求更便捷的供電方式,使用者家裡的自用電將越來越多由住宅太陽能發電系統提供。

為了使所有實體順利合作並從可再生能源和零排放電動車受益,儲能系統必須參與其中,確保我們可以儲存和重用需求低時產生的電能(例如,晚上使用中午產生的太陽能),利用多餘的能量來平衡電網負荷。

儲能系統(ESS)相當於電能領域的油罐或煤炭倉庫,可以用於住宅和工業規模的多種應用當中。在住宅應用中,很容易將光伏逆變器接入蓄電池,在家儲存和使用能量,或者用太陽白天產生的能量在晚上為汽車充電。在工業或公用事業規模的應用(如並網服務)中,儲能系統可用於不同目的:從調節光伏和風能到能源套利,從後勤支援到黑啟動(消除柴油發電機),最重要的是從總成本角度考慮,可以延緩投資。在後一種情況下,可以利用儲能系統滿足電網節點峰值負荷需求,確保無需付出高昂成本、升級現有輸電線路。另一個相關應用案例是離網設施,此時,儲能系統使微電網或島嶼電能能自給自足。

圖1. 可再生能源、儲能系統和電動車充電基礎設施的整合。

考慮到所有可能的應用,儲能系統市場2045年之前將突破1000 GW發電量/2000 GWh產能的閾值,相較於今天的10 GW發電量/20 GWh產能,可謂成長迅速。

本文將重點討論因應電動車充電基礎設施的儲能系統。

私人和公用交流充電基礎設施雖然簡單,但功率有限。1級交流充電器的工作電壓為120 V,最大輸出功率為2 kW。2級交流充電器的工作電壓和最大輸出功率分別可達240 V和20 kW。在兩種情況下,車載充電器都要求將交流電轉換為直流電。壁掛式交流充電樁與其說是充電器,不如說是計量和保護裝置。由於成本、尺寸和重量的限制,汽車車載充電器的額定功率始終低於20 kW。

另一方面,直流充電允許以更高的功率對電動車充電:3級充電器的最高額定直流電壓和額定功率分別為450 V和150 kW,最新的超級充電器(相當於4級)則可超過800 V和350 kW。出於安全原因,在輸出接頭插入車輛時,電壓上限設為1000V直流。使用直流充電器時,能量轉換是在充電樁中進行的,直流功率輸出將充電樁與汽車電池直接連接起來。這就消除了車載充電器的必要性,同時還有減少佔用空間、減輕重量的諸多好處。然而,在此過渡階段,電動車充電基礎設施仍然高度分散,且因國家/地區而異,電動車大都會使用一台11kW的小型車載充電器,使用戶能在需要時透過交流電源插座充電。

提升充電功率需要增加工作電壓,確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理範圍內,這表示必須正確設計安裝充電站的微電網或子電網並確定其規格。

我們不妨設想一款未來(2030年)的充電站,其中的燃料由電子組成,用稱為輸電線路的管道提供燃料,並透過變壓器接入中壓(MV)電網。目前,燃料儲存在地下的巨大油罐中,定期通過 油罐車運送到加油站。雖然始終透過電網提供新燃料(電子)似乎是一種簡單的解決方案,沒什麼問題,但我們可以看到,如果我們想讓駕駛能夠在不到15分鐘的時間裡為電動車充滿電,那麼這種簡單的方法是無法持續的。

充電站有五個直流充電樁,每個充電樁最大可以輸出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情況下,五個充電樁同時為完全耗盡的電池充電,充電站必須考慮這一點。為了簡化計算,我們現在假設功率變換級和電池充電路徑中的損耗為零。在本文的後面,我們將看到即使整個電源鏈中的功率損耗很小,正常的設計也會被影響。

我們假設有五台電動車,每台均配備75 kWh的電池(目前上市的全電動車配備的電池容量為30 kWh至120 kWh),需要從10%的電量(SOC)充電至80%:

 

equation1

 

這表示需要在15分鐘內將262.5 kWh的電能從電網轉移到電動車上:

 

equation2

 

電網必須連續15分鐘向這些電動車提供略多於1 MW的電能。鋰電池的充電過程要求恆定電流、恆定電壓充電曲線,使電池充滿80%所需功率大於充滿最後20%所需功率。在我們的示例中, 假設以最大功率充至80%即停止充電。

充電站所在的電網(最好為子電網)必須間歇性地維持大於1MW的峰值。必須實施非常高效、高度複雜的有功功率因數校正(PFC)級,確保電網保持高效,不影響頻率,也不造成不穩定。這也表示必須安裝非常昂貴的變壓器,將低壓充電站接入中壓電網,確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規格上能滿足峰值功率需求。如果在充電站充電的有汽車,也有卡車和公車,則所需功率會更高。 簡單、經濟的解決方案是使用太陽能、風能等可再生能源在當地生產的電能,而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。如此用戶就可以直連有多餘電能的充電站,而不是完全依靠電網。實際上,可以在充電站或連接充電站的子電網附近安裝100 kW至500 kW的太陽能光伏(PV)電站。

雖然光伏電源可以提供500 kW的電能,將對電網的功率需求降至500kW,但光伏電源具有間歇性的特點,並非總是存在。這就為電網帶來了不穩定問題,使電動車駕駛只能在陽光明媚時以最快的速度為車充電。這並非用戶所需,也是不可持續的。

在電力電子的這張拼圖中缺少了儲能系統。就像目前的加油站地下油罐一樣,可以把儲能系統視為大型電池,它能將來自可再生能源的電能儲存起來並輸送至電網、充電樁或回充至電網。儲能裝置的首要特徵是雙向性,處於電網的低壓端。這種新裝置的設計目標是,直流匯流排電壓為1500V,連接可再生能源、電動車充電樁和儲能系統電池。還要適當確定儲能系統規格,確保峰值功率和電能容量之間的比率符合具體裝置的優化要求。該比率在很大程度上取決於透過太陽能、風能或其他能源在本地產生的電量、充電樁的數量、接入子電網的其他負荷以及功率變換系統的效率。

圖2. 未來電動車充電站的功率變換。

在此計算中,儲能系統的容量應在500 kWh至2.5 MWh之間,峰值功率容量最高為2 MW。

我們上面確定了充電站的關鍵元件(電源、負荷、能量緩衝),接下來我們要分析四個功率變換系統,它們形成了充電站中的能量路徑。

四個功率變換系統均基於主直流母線,額定直流電壓為1000V至1500V。所需功率越高,直流母線電壓就越高。1500V直流代表著目前以及未來20年的業界標準。雖然有可能提出更高的電壓要求,但這會使安全法規、功率元件和系統設計變得更加複雜,使現有技術變得低效。 但這並不是說在10年後,電源開關、保護系統等新技術不可能實現2000 V或更高的直流電壓。

以光伏逆變器為例,我們看到,它具有雙重功能,一是DC-DC變換器(用於從光伏面板到直流母線的電源路徑),二是DC-AC逆變器(用於從光伏面板到交流母線再到電網的電源路徑)。 DC-DC變換級在這裡是最重要的,因為AC-DC級也可以整合到從直流母線到交流電網的主雙向功率因數校正(PFC)逆變器當中。就最新的電力電子設計而言,用基於碳化矽(SiC)功率MOSFET設計的變換器可才實現高效率。與矽絕緣柵雙極電晶體(IGBT)比較後顯示,效率提高了5%(最大負載)到20%(部分負載)。在我們的示例中,使用額定功率為500 kW的光伏逆變器,效率提高 5%表示損耗減少了25 kW,或者功率輸出增加了25 kW,相當於五間房屋的能耗或者一台大型熱泵生產熱水或在夏天冷卻充電站建築的能量。

對於直流充電樁和儲能系統充電器都可以進行高度相似的計算。在這兩種情況下,兩種設計方法都是可行的:並行使用額定功率大於100 kW的大型單晶片功率變換器或額定功率為25 kW至 50 kW的多個小型變換器。兩種解決方案都有其優點和缺點。如今,得益於經濟規模和簡化設計,成本下降,小型變換器多連成為市場的主流。當然,必須採用智慧能源管理系統。

即使對於這些DC-DC變換器,從矽IGBT轉向SiC MOSFET帶來了巨大的效率優勢,還節省了空間,減少了重量,但價格卻略有增加——目前增幅為25%,預計今後五年會降至5%。僅效率提升 本身就足以抵銷略微上升的成本(假設在最大負荷下,成本增加5%):

 

equation3

 

最後,在PFC逆變器中,1 MW的5%為50 kW,僅僅因為使用效率更高的SiC而非IGBT,就可以總共節省250 kW的功率。這相當於增加一個充電樁,或者有可能更好地平衡超時能耗與實際負荷需求。

正如我們所說,要獲得這些結果,需要採用SiC MOSFET,但它們不能單獨解決問題。SiC MOSFET的驅動方式是達到所需切換頻率的關鍵,而切換頻率決定著系統設計成本(受MOSFET、線圈和電感器影響)與效率之間的優質平衡。設計人員定下的目標開關頻率範圍為50 kHz至250 kHz。閘極驅動器的要求越來越高,主要體現在傳輸延遲更短、短路保護更好等兩個方面。

ADI的ADuM4136是一款採用最新 iCoupler® 技術的隔離式閘極驅動器。這種隔離技術可實現150kV/µs的共模瞬變抗擾度(CMTI),以數百kHz的切換頻率驅動SiCMOSFET。加上去飽和保護等快速故障管理功能,使設計人員可以正確地驅動高達1200 V的單一或並聯SiC MOSFET。

隔離式柵極驅動器必須有電源驅動,我們在ADI應用筆記 AN-2016中展示了ADuM4136閘極驅動器與 LT3999 推挽式控制器的組合如何成為一種無雜訊的高效建構模組,用於正確管理SiC MOSFET。LT3999用於控制ADuM4136的雙極性隔離電源。LT3999隔離電源採用 超低EMI雜訊設計,切換頻率高達1MHz,可以成就經濟高效的精巧型解決方案。

總傳輸延遲(包括死區時間和傳輸延遲)在接通時為226 ns,斷開時為90 ns。驅動器的延遲時間在接通時為66 ns,斷開時為68 ns,死區時間在接通時為160 ns,斷開時為22 ns。

可以在不犧牲效率的情況下,在功率變換器中實現超高的功率密度。

圖3. ADuM4136和LT3999柵極驅動器單元。

雖然功率變換器是功率變換路徑的基礎,但在儲能系統中,確保最佳擁有權總成本的關鍵元件是電池管理/監測系統(BMS)。我們透過拆分價格發現,對於兆瓦級儲能系統,一半以上的成本來自電池架:目前約為200美元/kWh,預計到2025年將降至100美元/kWh。擁有可靠而精確的BMS解決方案,可使電池使用壽命延長30%,節省巨大的成本,簡化整個充電站的可操作性。維護減少表示工作時間延長,用戶不會遇到問題,減少維修相關風險,從而提高安全水準。

為了獲得這些效果,負責控制充電站能量流的能量管理系統必須非常準確地瞭解儲能電池的SOC和健康狀態(SOH)。精確可靠的SOC和SOH計算最長可使電池壽命延長10年至20年,通常可以將使用壽命增加30%,而不增加BMS相關電子元件成本。由於延長了電池的使用壽命,因此可將營運成本和擁有成本降低至少30%。再加上更準確的SOC資訊,我們就能使用電池中儲存的所有能量,以最優方式對電池充電,杜絕過充或過放電;過充、過放電問題可能在很短的時間內耗盡電池電能,造成短路、火災等災情。為了實現預測性維護,確保能量和功率流得到適當的管理,瞭解電池SOC和SOH表示需要預測和調整電網穩定、電動車充電過程以及車網(V2G)連接(其中車輛也被視為儲存裝置)中使用的各種演算法。

實現精確監測的辦法,是使用多單元(最多18個單元)電池監測IC,總測量誤差小於2.2 mV。可在290μs內測量所有18個電池單元,並選擇較低的資料獲取速率以便降噪。可將多個電池堆監測元件串聯,以便同時監測很長的高壓電池串。每個電池堆監測器都有一個隔離式串列周邊介面(isoSPI),用於高速、RF抗擾、遠距離通訊。多個元件以菊鏈形式連接,並為所有元件連接 一個主機處理器。該菊鏈可雙向操作,即使通訊路徑出錯,也能確保通訊完整性。電池堆可直接為IC供電,也可採用隔離電源為其供電。IC具有用於每個電池單元的被動式均衡和分別的PWM工作週期控制功能。其他特性包括一個晶片內5 V調節器、9條通用I/O線和睡眠模式(在此模式下,功耗降至6 μA)。

BMS應用具備短期和長期精度需求,IC使用埋藏式齊納二極體轉換基準電壓源而非頻隙參考電壓源。這能夠提供穩定的低漂移(20 ppm/√kh)、低溫度係數(3 ppm/°C)、低滯回(20 ppm)原邊電壓基準 源以及卓越的長期穩定性。這種精度和穩定性至關重要,是所有後續電池單元測量的基礎,這些誤差對所獲-資料的可信度、演算法一致性和系統性能會產生累積影響。

雖然高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能,但光憑該功能還不夠。AC-DC變換器架構及其操作必須符合電雜訊環境要求,這是系統大電流/電壓逆變器的脈寬調變(PWM)瞬態特性的結果。準確評估電池的SOC和SOH還需要相關的電壓、電流和溫度測量。

為了在影響BMS性能之前減輕系統雜訊,電池堆監測器內部用的轉換器使用了一個∑-Δ拓撲結構,並在六個由使用者選擇的濾波器選項輔助處理雜訊環境。∑-Δ方法減少了電磁干擾和其他瞬態雜訊的影響,因為它的本質是每次轉換使用多個樣本,並具有平均濾波功能。

在ADI的產品組合中,LTC681x和LTC680x系列代表了電池堆監測器的先進水準。18通道版本為 LTC6813

總之,為了應對未來的直流快速充電基礎設施面臨的挑戰,功率變換系統和儲能系統是關鍵。我們提供了兩個例子,將ADuM4136隔離式閘極驅動器分別與LT3999電源控制器(用於採用 SiC MOSFET設計的功率變換級)和LTC6813電池監測元件(用於儲能電池)結合起來。其實這些系統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元件,從氣體檢測到功能安全,它們都是極其重要的,能帶來許多好處,ADI目前正在積極研發所有這些子系統,確保我們能夠感知、測量、連接、解讀、保護和驅動所有物理現象,獲得可靠且穩固的資料。高階演算法將使用這些資料,確保將大部分能量從可再生資源變換為負荷,在這裡,所指即為電動車。