電動汽車（EV）將獲得越來越多的市場份額，最終取代內燃機汽車。直流（DC）快速充電站將取代或整合加油站。可再生能源將用于為它們供電，例如太陽能和風能。人們希望在不到 15 分鐘的時間內為電動汽車充電，他們不想排隊等待獨特的充電樁。

考慮到多個充電樁，電網必須在本地提供的充電峰值功率超過1兆瓦。電網可能會在許多地方崩潰，或者需要巨額投資來改善輸電線路和中央發電廠，以提供更高的基本負荷。然而，這種負荷是脈沖性的，必須與太陽能和風能等可再生能源產生的間歇性能量相結合。

儲能系統可以用簡單而優雅的方式解決這個問題。我們使用汽油或氣體等液體來儲存能量，并在需要時重復使用（例如，為汽車加油時）。使用相同的原理，我們可以使用電子和化學將電能存儲在電池中。然后可以利用該能量來增強電動汽車充電，通過削減功率峰值來保持電網穩定或在停電時提供供應。

移動市場正在發生變化。到2020年，將銷售近300萬輛電動汽車，總計超過8000萬輛。雖然這看起來像是一個利基市場，但預測到2025年將銷售到1000萬輛電動汽車，到2040年將超過5000萬輛，總計1億輛。這意味著，到2040年，50%的已售車輛將是全電動汽車。所有這些車輛都需要緩慢充電，在家中過夜，使用簡單的壁箱或幾千瓦直流充電器，用于帶有太陽能發電系統和蓄電池的房屋，在街上的充電樁上快速充電，或者在未來的加油站中超快。

隨著電動汽車市場的興起，我們看到可再生能源發電市場 - 最近經歷了太陽能光伏（PV）系統的蓬勃發展 - 仍然以良好的速度增長，這要歸功于過去10年降價約80%和推動脫碳。太陽能占當今全球發電量的不到5%，預計到2050年將占全球發電量的三分之一以上（33%）。

隨著未來由間歇性負載組成，需要充電的電動汽車和間歇性能源（光伏和風力發電）提出了挑戰，例如如何在以電網為中心的能源生態系統中結合這些新參與者。電動汽車等間歇性負載將需要對傳輸線進行額外的尺寸設計，以滿足更高的功率峰值需求。

太陽能生產將改變中央發電廠的運作方式，以確保電網不會過度充電，人們將需要更容易獲得電力，越來越多的家庭生產的電力的自我利用將是住宅太陽能系統。

為了使所有實體順利合作并從可再生能源和零排放電動汽車中受益，儲能系統必須進入游戲，以確保我們能夠存儲和再利用需求低時產生的電能（例如，中午產生的太陽能在晚上使用），并使用額外的能量來平衡電網。

儲能系統（ESS）相當于燃料罐或煤炭儲存倉庫。ESS可用于住宅和工業規模的多種應用。在住宅應用中，將光伏逆變器連接到蓄電池，以節省和使用房屋中的能量或用白天太陽產生的能量在一夜之間為汽車充電很簡單。在工業或公用事業規模的實施中，例如并網服務，ESS裝置可用于不同的目的：從光伏和風能的監管到能源套利，從備用支持到黑啟動（移除柴油發電機），最重要的是從總成本的角度來看，投資延期。在最后一種情況下，儲能系統將用于覆蓋電網節點中的功率峰值，確保現有的輸電線路不需要昂貴的升級。另一個相關的用戶案例是離網安裝，其中ESS使微電網或孤島能夠自給自足。

考慮到所有可能的應用，ESS市場將在2045年之前突破1000 GW功率/ 2000 GWh容量閾值，從今天的10 GW 功率/ 20 GWh快速增長。

本文的重點將放在電動汽車充電基礎設施的ESS安裝上。

用于私人裝置和公共裝置的交流充電基礎設施都很簡單，但功率有限。1 級交流充電器在 120 V 交流下工作，最大功率為 2 kW;2 級能夠承受 240 V 交流和 20 kW 的功率，并且兩者都需要從交流到直流的功率轉換到車載充電器。交流壁箱與其說是充電器，不如說是一個計量和保護裝置。對于汽車，車載充電器的額定功率始終低于 20 kW，以限制成本、尺寸和重量。

另一方面，直流充電使電動汽車能夠以更高的功率充電：3 級充電器的額定電壓高達 450 V 直流和 150 kW，而最新的超級充電器（相當于 4 級）可以超過 350 kW 和 800 V 直流。出于安全原因，當輸出連接器插入車輛時，電壓上限設置為 1000 V dc。使用直流充電器時，電源轉換是在充電樁中進行的，直流電源輸出直接將充電樁與汽車的電池連接起來。這消除了車載充電器的必要性，并具有減少占用空間和減輕重量的所有好處。然而，在這個過渡階段，當電動汽車充電基礎設施仍然分散，并且不同國家、地區不同時，電動汽車中主要存在一個 11 kW 的小型車載充電器，讓用戶能夠在需要時仍然通過交流插座充電。

增加充電功率需要增加工作電壓，以確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內，并且意味著必須正確設計和確定微電網或安裝充電站的子電網的尺寸。

讓我們想象一個未來的充電站（在 2030 年），其中燃料由電子組成，燃料可從稱為傳輸線的管道獲得，通過變壓器連接到中壓 （MV） 電網。今天，燃料儲存在地下的大油箱中，并由油罐車定期運送到加油站。讓新燃料——電子——始終從電網中可用似乎是一個簡單且沒有問題的解決方案，但我們可以看到，如果我們想讓司機有可能在不到 15 分鐘的時間內為電動汽車充電，這種簡單的方法是不可持續的。

我們的充電站有五個直流充電樁，每個充電樁的最大峰值功率輸出為 500 kW。最壞的情況是，必須確定充電站的尺寸，表現為五輛電動汽車同時為完全耗盡的電池充電。為了簡化計算，我們現在考慮功率轉換級和電池充電路徑中的零損耗。在本文的后面，我們將看到即使整個電源鏈中的小功率損耗也會如何影響正確的設計。

讓我們考慮五輛電動汽車，每輛電動汽車都配備 75 kWh 電池（目前市場上的汽車配備全電動動力系統，電池從 30 kWh 到 120 kWh），需要從 10% 充電狀態 （SOC） 充電到 80%：

這意味著必須在 15 分鐘內將 262.5 kWh 的能量從電網傳輸到電動汽車：

電網必須向電動汽車提供略高于 1 MW 的電力，持續 15 分鐘。鋰電池的充電過程將需要恒流、恒壓充電曲線，其中充電高達 80% 的電池所需的功率大于最后 20%。在我們的示例中，假設最大功率，我們將充電停止在 80%。

電網，或者更好的是充電站所在的子電網，必須間歇性地維持大于1 MW的峰值。必須實施非常高效和復雜的有源功率因數校正（PFC）級，以確保電網保持高效，而不會影響頻率，也不會造成不穩定。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器，將低壓充電站連接到中壓電網，并確保將電力從發電廠輸送到充電站的輸電線路尺寸正確，以應對所需的峰值功率。如果充電站正在為汽車和卡車或公共汽車充電，則所需的功率更高。

最簡單、最經濟的解決方案是使用當地可再生能源（如太陽能和風能）產生的電力，而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這使用戶能夠直接連接到具有額外電力的充電站，而不僅僅是依賴電網。實際上，100 kW至500 kW范圍內的太陽能光伏（PV）安裝可以在充電站或連接充電站的子電網附近完成。

雖然光伏電源可以提供500 kW，將電網請求的功率限制在500 kW，但光伏電源是間歇性的，并不總是存在。這帶來了電網的不穩定，并使電動汽車駕駛員只有在陽光照射到最大時才能以最快的速度為汽車充電。這不是用戶想要的，這是不可持續的。

這個電力電子難題中缺少的部分是ESS。就像當今加油站的燃料地下油箱一樣，ESS可以表示為一個大電池，能夠存儲能量并將其從可再生能源輸送到電網或充電樁或返回電網。儲能單元的第一個關鍵特性是雙向的，并在電網的低壓側工作。新裝置的目標是連接可再生能源、電動汽車充電樁和 ESS 電池的 1500 V 直流母線電壓。還必須對ESS進行適當的尺寸調整，以確保峰值功率和能量容量之間的平衡對于特定安裝是最佳的。該比率在很大程度上取決于當地發電的規模，通過太陽能，風能或其他來源，充電樁的數量，連接到子電網的其他負載以及電力轉換系統的效率。

圖2.未來電動汽車加油站的功率轉換。

在此計算中，儲能系統的容量應介于500 kWh至2.5 MWh之間，峰值功率能力應高達2 MW。

在定義了充電站的關鍵組件（電源、負載、能量緩沖器）之后，必須對在充電站中創建能量路徑的四個功率轉換系統進行分析。

四個電源轉換系統都位于主直流母線上，額定電壓為 1000 V 直流至 1500 V 直流。所需功率越高，直流母線電壓越高。1500 V dc 代表了當今和未來 20 年的行業標準。雖然可以在更高的電壓下使用，但這給安全法規、電源組件和系統設計帶來了復雜性，使其在現有技術下效率低下。這并不是說在10年內，新技術，如電源開關和保護系統，將無法轉向2000 V直流或更高。

考慮到光伏逆變器，我們看到它具有DC-DC轉換器的雙重功能（用于從PV面板到直流母線的電源路徑）和DC-AC逆變器的功能（用于從PV面板到交流總線然后進入電網的電源路徑）。DC-DC轉換級在這里是最重要的，因為AC-DC級也可以集成到從直流母線到交流電網的主雙向功率因數校正（PFC）逆變器中。考慮到最先進的電力電子設計，圍繞碳化硅（SiC）功率MOSFET設計的轉換器可實現最高效率。與硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的比較表明，效率在5%（最大負載）至20%（部分負載）的范圍內有所提高。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% 意味著損耗減少 25 kW 或更高的功率輸出——相當于五個房屋的消耗量或一個大型熱泵在夏季產生熱水或冷卻充電站建筑。

對于直流充電樁和ESS充電器，可以進行非常相似的計算。在這兩種情況下，都可以采用兩種設計方法：額定功率大于100 kW的大型單片功率轉換器或許多額定功率為25 kW至50 kW的小型轉換器并聯使用。這兩種解決方案都有優點和缺點。如今，小型轉換器的多種連接正在引領市場，因為經濟規模和設計簡單，成本較低。當然，必須采用智能能源管理系統。

即使對于這些DC-DC轉換器，從硅IGBT轉向SiC MOSFET也帶來了巨大的效率優勢，同時節省了空間和重量，但代價是價格略高 - 今天高出25%，預計未來五年將降至5%。僅效率增益就可以通過節省來覆蓋這個小價格（如果我們在最大負載下使用相同的 5%）：

最后，在PFC逆變器中，1 MW的5%再次變為50 kW，僅因為SiC與IGBT的效率更高，因此總功率節省達到250 kW。這就像有一個額外的充電樁，或者可以更好地平衡加班的能源消耗與負載的實際需求。

正如我們所說，為了實現這些結果，需要SiC MOSFET，但它們無法單獨解決問題。SiC MOSFET 的驅動方式是達到所需開關頻率的關鍵，以實現系統設計成本（由 MOSFET、線圈和電感器驅動）和效率之間的最佳權衡。設計人員的目標是50 kHz至250 kHz范圍內的開關頻率。對柵極驅動器的要求變得越來越具有挑戰性，主要是在更短的傳播延遲和改進的短路保護方面。

ADI公司的ADuM4136是一款隔離式柵極驅動器，采用先進的耦合器技術。這種隔離技術可實現 150 kV/μs 的共模瞬變抗擾度 （CMTI），以驅動數百 kHz 開關頻率范圍內的 SiC MOSFET。這與去飽和保護等快速故障管理相結合，使設計人員能夠正確驅動高達1200 V的單個或并行SiC MOSFET。?

隔離式柵極驅動器必須上電，在ADI應用筆記AN-2016中，我們展示了ADuM4136柵極驅動器與LT3999推挽式控制器的組合如何構成一個無噪聲、高效率的構建模塊，以正確管理SiC MOSFET。LT3999 用于控制 ADuM4136 的一個雙極性隔離電源。LT3999隔離電源的超低EMI噪聲設計，以及高達1 MHz的開關可能性，實現了緊湊且經濟高效的解決方案。

總傳播延遲（包括死區時間和傳播延遲）在開啟時為226 ns，在關斷時為90 ns。驅動器延遲時間為66 ns（開啟）和68 ns（關斷），而死區時間為160 ns（開啟）和22 ns（關斷）。

在不影響效率的情況下實現了在功率轉換器中具有非常高功率密度的目標。

圖3.ADuM4136和LT3999柵極驅動器單元。

雖然功率轉換器是電源轉換路徑的基礎，但在儲能系統中，確保最佳總擁有成本的關鍵組件由電池管理/監控系統（BMS）表示。在價格突破分析中，我們可以看到，對于兆瓦級儲能系統，超過一半的成本是由電池架驅動的：目前每千瓦時約200美元，預計到2025年將降至每千瓦時100美元。擁有可靠和精確的BMS解決方案使電池的使用壽命延長30%，從而節省了大量成本并簡化了整個充電站的可操作性。更少的維護意味著更長的工作時間，并且對用戶沒有問題，從而通過降低維修的相關風險來提高安全水平。

為了達到這些結果，控制充電站周圍能量流的能量管理系統必須非常準確地了解儲能電池的SOC和健康狀態（SOH）。精確可靠的SOC和SOH計算允許電池壽命在最佳情況下延長10年至20年，并且通常可以在不增加與BMS相關的電子成本的情況下實現30%的使用壽命延長。這導致電池使用壽命延長，運行和擁有成本至少降低 30%。這與SOC信息的更高精度相結合，提供了使用存儲在電池中的所有能量并以最佳方式充電的能力，避免過度充電或過度放電，這些情況可能會在很短的時間內耗盡電池并造成短路和火災等危險情況。對于預測性維護，并確保能量和功率流得到妥善管理，了解電池 SOC 和 SOH 意味著能夠預測和調整電網穩定、電動汽車充電過程以及車輛到電網 （V2G） 連接中涉及的算法，其中車輛也被視為存儲單元。

實現精確監控的解決方案是使用總測量誤差小于2.2 mV的多節電池（最多18節電池）電池監控IC。所有18個電池的測量時間均為290 μs，并且可以選擇較低的數據采集速率以實現高降噪。多個堆棧監控設備可以串聯連接，允許同時監控長高壓電池串。每個堆棧監視器都有一個隔離的串行外設接口 （isoSPI），用于高速、射頻免疫、長距離通信。多個設備以菊花鏈形式連接，所有設備都有一個主機處理器連接。該菊花鏈可以雙向操作，即使在通信路徑出現故障時也能確保通信完整性。IC可以直接由電池組或隔離電源供電。該 IC 包括每個電池的被動平衡，以及每個電池的單獨 PWM 占空比控制。其他特性包括板載5 V穩壓器、9條通用I/O線路和睡眠模式，其中電流消耗降至6 μA。

由于BMS應用的短期和長期精度要求，IC使用埋齊納轉換基準，而不是帶隙基準。這提供了穩定的低漂移 （20 ppm/√kh）、低溫度系數 （3 ppm/°C）、低遲滯 （20 ppm） 初級基準電壓源以及出色的長期穩定性。準確性和穩定性至關重要，因為它們是所有后續電池單元測量的基礎，這些誤差會對采集數據的可信度、算法一致性和系統性能產生累積影響。

盡管高精度基準電壓源是確保卓越性能的必要功能，但僅此還不夠。AC-DC轉換器架構及其工作必須符合電氣噪聲環境中的規范，這是系統高電流/電壓逆變器的脈寬調制（PWM）瞬變的結果。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。

為了在系統噪聲影響BMS性能之前降低系統噪聲，堆棧監控器轉換器使用Σ-Δ拓撲，并輔以六個用戶可選濾波器選項，以應對嘈雜的環境。Σ-Δ方法降低了EMI和其他瞬態噪聲的影響，其性質是每次轉換使用許多樣本，并具有平均濾波功能。

在ADI產品組合中，LTC681x和LTC680x系列代表了電池組監視器的最新技術。18 通道版本稱為 LTC6813。

總之，為了應對未來直流快速充電基礎設施的挑戰，關鍵方面將出現在功率轉換系統和儲能系統中。本文提出了兩個示例：ADuM4136隔離式柵極驅動器與LT3999電源控制器（用于采用SiC MOSFET設計的功率轉換級）和LTC6813電池監控器件（用于儲能電池）的組合。這些系統中還有更多關注領域，從電流計量到故障保護設備，從氣體傳感到功能安全。它們都非常重要，并帶來了巨大的好處，ADI正在所有這些子系統中積極工作，以確保我們能夠感知、測量、連接、解釋、保護和供電所有物理現象，從而產生可靠和強大的數據——高端算法將使用這些數據來確保大部分能量從可再生能源轉換為負載。

審核編輯：郭婷