在剛剛閉幕的十三屆全國人大三次會(huì )議上，國務(wù)院總理李克強在政府工作報告中提出重點(diǎn)支持既促消費惠民生又調結構增后勁的“兩新一重”建設，充電樁與5G應用等多項重點(diǎn)基礎設施建設項目一起被作為加強新型基礎設施建設，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò )，激發(fā)新消費需求、助力產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)布局。政府工作報告為充電樁產(chǎn)業(yè)的快速、高質(zhì)量發(fā)展吹響了集結號，為達成“車(chē)樁相隨、智能高效”的充電基礎設施體系規劃目標加注了強大動(dòng)能。

據中國充電聯(lián)盟統計，截至2019年底全國充電樁總數為121.9萬(wàn)根，車(chē)樁比僅為3.1:1，充電基礎設施依然是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈主要短板?！澳瓿醯男禄ㄓ媱澓妥钚碌膬蓵?huì )政府工作報告中，都特別將建設充電樁作為助力產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵內容之一。隨著(zhù)政府和社會(huì )的積極產(chǎn)業(yè)部署，充電樁基礎設施的完備將有望徹底解決嚴重制約電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的‘里程焦慮’?！盇DI公司工業(yè)與能源事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理張松剛在最近的一場(chǎng)活動(dòng)指出。作為為電動(dòng)汽車(chē)電池系統管理提供了最廣泛解決方案的企業(yè)，ADI同樣提供了業(yè)內領(lǐng)先的充電樁電力計量、直流變換模塊、充電控制器等主要功能模塊解決方案。

ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理張松剛

新基建為電動(dòng)汽車(chē)普及加速，大功率充電樁解除關(guān)鍵掣肘

《2019北京市新能源汽車(chē)充電行為報告》顯示：用戶(hù)單筆平均充電量22.15kWh，單筆使用公共快充樁充電時(shí)長(cháng)1.32小時(shí)，公共慢充樁充電時(shí)長(cháng)5.09小時(shí)（不包括排隊時(shí)間）。值得注意的是，根據合格證數據統計，我國新增純電動(dòng)汽車(chē)單車(chē)帶電量從2015年1月的22.2kWh提升到2020年1月的48.3kWh，22.15kWh只能補充純電動(dòng)乘用車(chē)50%-80%的電量，大功率直流充電樁建設勢在必行?！叭绻冸妱?dòng)車(chē)要解鎖如同燃油車(chē)一般的‘快速回血’技能，就必須借助更大功率的充電樁。但功率提高帶來(lái)的問(wèn)題是充電樁尺寸增大、熱管理等問(wèn)題，要兼顧充電樁尺寸、效率和功率，提高功率器件的開(kāi)關(guān)頻率非常關(guān)鍵?！?張松剛指出。

半導體技術(shù)的進(jìn)步讓功率MOSFET器件開(kāi)關(guān)頻率得到快速有效提升，IGBT從過(guò)去的20k左右提升到現在40k到50k，而氮化鎵（GaN）和碳化硅（SIC）MOSFET器件可以達到更高的開(kāi)關(guān)頻率?！膀寗?dòng)方式是達到這些開(kāi)關(guān)器件所能支持的開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵，而開(kāi)關(guān)頻率決定著(zhù)系統設計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開(kāi)關(guān)頻率對柵極驅動(dòng)器的要求越來(lái)越高，采用的柵極驅動(dòng)器的傳輸延遲、死區時(shí)間、共模瞬變抗擾度(CMTI)等指標對提升充電樁功率和效率發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵的影響?！?張松剛表示。

解鎖大功率直流充電，隔離式柵極驅動(dòng)器是關(guān)鍵

為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極，使用專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動(dòng)電流。張松剛指出：“隔離式柵極驅動(dòng)器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標將決定直流模塊的整體功率、效率和系統尺寸，正確選擇這類(lèi)解決方案非常關(guān)鍵?！迸c傳統的基于光學(xué)隔離式柵極驅動(dòng)器相比，ADI提供的iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器提供了良好的柵極驅動(dòng)特性和隔離性能。

據張松剛分析，傳統光耦合隔離的方式傳輸延時(shí)時(shí)間長(cháng)（150—200納秒），而iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器傳輸延時(shí)在50—60個(gè)納秒左右，從而大降低減小了傳輸延遲，并且傳輸延時(shí)一致性更好，更低的傳輸延遲和延時(shí)一致性對于提高開(kāi)關(guān)頻率和效率具有重要作用。此外，隔離柵極驅動(dòng)器的死區時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一，iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器更低的死區時(shí)間將有效降低損耗。對于大規模部署的充電樁來(lái)說(shuō)，即使零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)效率提升都具有很大經(jīng)濟和社會(huì )效益。

張松剛以ADI最新的ADuM4136為例分析了iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器的特性：可實(shí)現150kV/μs的共模瞬變抗擾度(CMTI)，以數百kHz的開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)SiC MOSFET；加上去飽和保護等快速故障管理功能，設計人員可以正確驅動(dòng)高達1200V的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET?！癷Coupler磁隔離的固有優(yōu)勢使得這些特性明顯優(yōu)于光隔離柵極驅動(dòng)器，可以確保充電機在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實(shí)現超高的功率密度?！睆埶蓜傊赋?。

此外，從功能安全和用戶(hù)人生和財產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)，良好的隔離性能也非常關(guān)鍵?！?019新能源汽車(chē)消費市場(chǎng)研究報告》披露，20.65%的公共充電樁發(fā)生故障。此外，央視曾經(jīng)報道指出9家企業(yè)的10個(gè)批次的充電樁產(chǎn)品中，7批次不符合國標要求，風(fēng)險監測發(fā)現樣品四個(gè)項目不符合國標要求，容易起火或導致觸電。因此，充電機功能電路中的隔離式柵極驅動(dòng)器發(fā)揮的隔離功能就非常關(guān)鍵，實(shí)現充電模塊中功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑，從而提升安全性能。

破壞試驗證明，在最壞的情況下，iCoupler隔離式柵極驅動(dòng)器不會(huì )影響隔離的耐受性能。

ADI負責電源管理/數字電源/iCoupler應用的專(zhuān)家Bernhard Strzalkowski博士就曾撰文指出，在高度可靠、高性能的應用中，隔離式柵級驅動(dòng)器需要確保隔離柵在所有情況下完好無(wú)損，由于功率密度極高，所以在制作驅動(dòng)器芯片時(shí)需要保證即使芯片本身出現故障仍然能夠保持電隔離。為此，他進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的破壞性試驗試驗：即在最壞的情況下，高功率MOSFET/IGBT發(fā)生故障時(shí)逆變器幾千μF的電容組會(huì )快速放電，釋放的電流會(huì )導致MOSFET/IGBT損壞、封裝爆炸、等離子體排出到環(huán)境中，一部分進(jìn)入柵級驅動(dòng)電路的電流會(huì )導致電氣過(guò)載。試驗結果證明，在最壞的情況下，對輸出芯片施加高功率時(shí)，驅動(dòng)器輸出引腳附近會(huì )出現小范圍損壞，這個(gè)試驗不會(huì )影響隔離的耐受性能。

新基建風(fēng)口下的大功率普及趨勢，如何為充電樁“賦能”？

前不久國網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)部印發(fā)的2020年智能用電專(zhuān)業(yè)工作要點(diǎn)中，明確了國網(wǎng)對于2020年充電設施的發(fā)展規劃，且提及多項儲能相關(guān)任務(wù)目標，包括緊密跟蹤分布式光伏、儲能政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究對電網(wǎng)的影響以及電動(dòng)汽車(chē)、客戶(hù)側儲能、分布式電源參與的負荷平衡，等等。而前不久新疆自治區發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于加快充電基礎設施綜合體建設的通知》也有類(lèi)似的表述，鼓勵投資單位以充電樁設施+分布式能源+儲能項目+商業(yè)綜合體方式投資。

事實(shí)上，充電樁的大功率化、廣泛部署是必然的趨勢，但也給相關(guān)基礎設施建設提出了挑戰——如何經(jīng)濟有效的滿(mǎn)足充電站峰值負荷要求？例如一個(gè)二十個(gè)充電樁的充電站要滿(mǎn)足全天候的充電狀態(tài)，電網(wǎng)需要提供的局部充電峰值功率超過(guò)1 MW。如此高的峰值負載功率可能導致電網(wǎng)在多個(gè)點(diǎn)上崩潰，或者需要投入巨額資金改善輸電線(xiàn)路和集中式發(fā)電廠(chǎng)以大幅提高基本負荷能力?！霸黾觾δ芟到y可以利用此儲備能量增加電動(dòng)汽車(chē)充電負荷能力，儲能系統通過(guò)調節功率峰值保持電網(wǎng)穩定，或是在停電的情況下提供充電電源?！睂Υ藦埶蓜偨o出了這樣的解決方案思路。

未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電站的功率變換系統配置示意圖

儲能系統除了緩解充電峰值對電網(wǎng)的壓力外，還可以借助配套的可再生能源實(shí)現環(huán)保降耗目標，甚至在電網(wǎng)高峰期儲能系統通過(guò)反向供電實(shí)現削峰平谷，而這也是電網(wǎng)的一大“剛需”。這也與全球車(chē)網(wǎng)互動(dòng)（V2G）的趨勢一致，例如特斯拉為Model 3、Model Y準備了雙向充電技術(shù)，國家電網(wǎng)也正逐步推進(jìn)V2G項目，探索出成本合理、業(yè)務(wù)高效的市場(chǎng)化運營(yíng)新模式。國家電網(wǎng)華北分部就在前不久首次將車(chē)網(wǎng)互動(dòng)（V2G）充電樁資源正式納入華北電力調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)并正式結算?！芭cV2G一樣，儲能系統+電網(wǎng)的供電側的布局應該是未來(lái)的發(fā)展趨勢，當前該類(lèi)應用還處于市場(chǎng)探索階段?！睆埶蓜偙硎?。

結束語(yǔ)：

為了應對未來(lái)的直流快速充電基礎設施面臨的挑戰，優(yōu)化的大功率直流充電系統和大負荷能力的供電側是關(guān)鍵。作為高性能模擬技術(shù)提供商，ADI在電力應用領(lǐng)域實(shí)現可靠的計量、監測和控制方面提供極具競爭力的高質(zhì)量解決方案，其領(lǐng)先的電池管理系統（BMS）解決方案、DCDC電源管理、高可靠性隔離技術(shù)、系統級混合信號轉換，以及針對電動(dòng)汽車(chē)充電器優(yōu)化的整個(gè)信號和電源鏈產(chǎn)品，在這波新基建熱潮下有望成為關(guān)鍵的助推力量?！捌鋵?shí)這些系統中還有更多領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注，包括了從電流計量到故障保護器件，從氣體檢測到功能安全都極其重要，ADI公司目前正在積極研發(fā)所有這些子系統，確保我們的客戶(hù)能夠在能量轉化、測量、連接、保護和驅動(dòng)所有環(huán)節獲得高效率且魯棒的解決方案?！睆埶蓜偙硎?。