從印度的交通電動(dòng)化趨勢(shì)，淺談太陽能與電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的應(yīng)用與布局

眾所周知，印度政府在全國推行交通工具電動(dòng)化，積極推廣電動(dòng)汽車，電子產(chǎn)業(yè)看好本土電動(dòng)汽車的研制活動(dòng)。大型OEM廠商正在研發(fā)電動(dòng)汽車，同時(shí)電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)也在平穩(wěn)的建設(shè)中，老牌企業(yè)以及各種初創(chuàng)公司在電動(dòng)汽車充電器、充電站以及軟件和云計(jì)算服務(wù)開發(fā)方面開始發(fā)力，且初見成效。但是，電子系統(tǒng)還有很多改進(jìn)機(jī)會(huì)。本文將以印度的交通電動(dòng)化趨勢(shì)為例, 探討太陽能與電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的應(yīng)用與布局。

在BIS、ARAI、EESL等機(jī)構(gòu)組織幫助下，印度政府已經(jīng)發(fā)布了充電站技術(shù)規(guī)范；部分原有規(guī)范如AC-001和DC-001的充電器已經(jīng)開發(fā)出來，并部署在了選定位置的充電站。最新指引要求充電站必須配備多種標(biāo)準(zhǔn)充電器，即CCS AC 2型和CHADEMO連接器，以及較低功率的AC和DC-001充電器。但是，這些系統(tǒng)的電源完全依賴于電網(wǎng)，在大城市和半城鎮(zhèn)化地區(qū)，充電站場(chǎng)地選址是一個(gè)難題，電網(wǎng)是否為電動(dòng)汽車預(yù)留了負(fù)載的問題依然存在。

這些問題可以通過太陽能發(fā)電來解決。太陽能發(fā)儲(chǔ)電不僅可以補(bǔ)充電網(wǎng)供電能力，還可以在全國各地安裝，即使不連接電網(wǎng)也可以給電動(dòng)汽車充電。幸運(yùn)的是，印度的太陽能推廣很成功，地理位置讓印度擁有豐富的太陽能。考慮其至少20-25年的使用壽命，太陽能充電站一次性安裝費(fèi)和資金投入比較合理，性價(jià)比高，在幾年內(nèi)就能獲得投資回報(bào)。在投入使用后，電站的電源幾乎是免費(fèi)供給。下面介紹一個(gè)利用太陽能發(fā)儲(chǔ)電給電動(dòng)汽車充電的可行方案，將會(huì)涉及太陽能發(fā)儲(chǔ)電方法、分布式電池管理、功率轉(zhuǎn)換、通信連接，以及開發(fā)一個(gè)可擴(kuò)展的模塊化太陽能電動(dòng)汽車充電站所需的基本模塊。

下圖是一個(gè)典型的電動(dòng)汽車太陽能充電站功能示意圖。

圖1：電動(dòng)汽車太陽能充電站功能框圖

用戶終端主要顯示終端用戶所能看到的功能，負(fù)責(zé)信息交換和人機(jī)交互，組件通常包括TFT觸屏和用于身份驗(yàn)證或付款的NFC讀卡設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，或許還有藍(lán)牙接口。充電連接器支持不同的充電標(biāo)準(zhǔn)：小型電車和電動(dòng)三輪車用AC慢充、電動(dòng)汽車AC和DC快充。在開始充電前，用戶必須驗(yàn)證身份，設(shè)置充電偏好。較復(fù)雜的功能是在后臺(tái)進(jìn)行的，中央控制器和其它模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控后臺(tái)運(yùn)行。

電流和電源管理：充電系統(tǒng)有3個(gè)電源。首先是太陽能光伏板。本文不討論太陽能板面積測(cè)算，通常情況下，充電站功率至少要幾千瓦。在額定光照度條件下，太陽能板正常發(fā)電量約150W /平方米。太陽能板將電能送入MPPT模塊，這是一個(gè)能效極高的DC-DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部運(yùn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法，轉(zhuǎn)換效率超過98％。這些轉(zhuǎn)換器通常是多相交錯(cuò)的降壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，輸入端和輸出端的工作電壓都在幾百伏。電氣隔離可能不是強(qiáng)制要求，但出于法規(guī)和安全考慮，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都是電氣隔離的。輸出端連接公共直流母線，為下游負(fù)載供電。控制可以采用模擬、純數(shù)字或模數(shù)混合方法。

第二個(gè)電源是電網(wǎng)。因?yàn)楸境潆娬臼窃O(shè)計(jì)目的是最大程度地利用太陽能，所以電網(wǎng)充電是備選電源。不過，有些地區(qū)電網(wǎng)是間歇性供電，還有些地區(qū)因?yàn)楣庹詹蛔悖柲馨鍩o法全年發(fā)電，電網(wǎng)必須在某些季節(jié)補(bǔ)充太陽能發(fā)電。本充電系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)太陽能儲(chǔ)電設(shè)備，在用電高峰時(shí)段可以通過雙向并網(wǎng)逆變器補(bǔ)充電網(wǎng)供電能力，起到發(fā)電廠的作用。有了合理的凈電量結(jié)算政策，太陽能發(fā)電廠或自備電廠就可以合法地向電網(wǎng)回送電力，因此，這是一個(gè)“一站兩用”的解決方案。

第三個(gè)電源是儲(chǔ)電站。當(dāng)下的趨勢(shì)是使用鋰電池建站，因?yàn)殇囯姵厥褂脡勖L，非常適合快充，放電深度和能量密度極高。為節(jié)省占地成本，電池可以安裝在地下。這些鋰電池組通過混聯(lián)和串聯(lián)的方式連接在一起，最后連到一個(gè)兼具監(jiān)控功能的接線盒端接單元。每個(gè)電池都有一個(gè)數(shù)據(jù)端口，通常是CAN或RS485，通過菊花鏈方法將這些電池連在一起，最后連到接線盒，以便端接單元顯示每個(gè)電池、電池串或整個(gè)電池庫的運(yùn)行狀況。本質(zhì)上，這是一個(gè)數(shù)據(jù)集中器和一個(gè)開關(guān)單元，控制電池組電路的輸入輸出狀態(tài)。另外，接線盒與中央控制器通信，以決定電池的充放電操作。

下圖所示是電源系統(tǒng)架構(gòu)。這是一個(gè)可擴(kuò)展的模塊化系統(tǒng)，模塊通常是可擴(kuò)展的，每個(gè)模塊是3-5kW，配有通信總線，通常是CAN或MODBUS/RS485。中央控制器可隨時(shí)根據(jù)功能需求配置模塊，例如：充電管理、負(fù)載管理、診斷檢查。在控制器內(nèi)有一個(gè)開通模塊，用于監(jiān)控用電情況，基本參數(shù)包括用電量kWh、儲(chǔ)電量kWh和發(fā)電量/輸出電量kWh?？刂破鬟€可以與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電表通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)和費(fèi)率設(shè)置。

圖2：后臺(tái)的電源系統(tǒng)

主要的電源管理模塊：DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊連接DC母線。根據(jù)充電樁所連接車輛的類型和車輛BMS的電壓和電流要求，中央控制器通過通信總線配置DC-DC轉(zhuǎn)換器。該方案通常用于DC快速充電，并且可以串聯(lián)多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，滿足充電負(fù)載需求。DC-AC逆變器也連接在同一DC母線上，用于給只能接受AC充電或普通慢充車輛充電。雙向逆變器有兩個(gè)用途：為直流母線供電，滿足用電需求；在充電站閑時(shí)向電網(wǎng)回送電能，或在電網(wǎng)用電高峰時(shí)段補(bǔ)充電網(wǎng)供電能力。下面是當(dāng)今任何功率轉(zhuǎn)換模塊都需達(dá)到的關(guān)鍵能效指標(biāo)：

1) 能效極高：現(xiàn)在端到端實(shí)際能效高于 95％

2) 功率密度極高：因?yàn)槲飿I(yè)成本較高，系統(tǒng)尺寸變得越來越小

利用硅技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，可以滿足上述兩點(diǎn)要求。寬帶隙半導(dǎo)體材料，尤其是碳化硅器件，具有很高的開關(guān)頻率，更高的結(jié)溫和能效。此外，硅技術(shù)的進(jìn)步讓無源元件（如磁性元件和電容器）的尺寸變得更小。更好的磁性材料還讓小功率、低損耗設(shè)計(jì)有更高的輸出功率。

主中央控制器是充電站的大腦，負(fù)責(zé)充電前的用戶/預(yù)約用戶身份驗(yàn)證和人機(jī)交互等全部功能，組件包括高性能處理器、通信連接技術(shù)和傳感器。主要功能如下

1) 用戶ID驗(yàn)證和支付：這是用戶在充電站看到最多的功能，可以通過智能卡、OTP、NFC手機(jī)甚至藍(lán)牙完成用戶驗(yàn)證和支付。這些子系統(tǒng)均由板載MPU/MCU控制。

2) 電源管理：這是充電站最重要的但用戶看不到的組件。系統(tǒng)控制器連續(xù)監(jiān)視電能供需關(guān)系，然后，根據(jù)情況選擇充電模式：純太陽能充電，太陽能與儲(chǔ)能混合充電，或者電網(wǎng)輔助太陽能充電。可能存在電能供給過?；蛴秒娦枨筮^高的情況，系統(tǒng)控制器應(yīng)該具備一定的智能，根據(jù)供需關(guān)系，通過更改上述各種電源塊的設(shè)置，改變輸電通道。

3) 通信連接：目前，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，充電站和充電樁都需要連接到云端，與CMS（中央管理系統(tǒng)）定期通信會(huì)話，報(bào)告交易、參數(shù)、診斷和操作數(shù)據(jù)，接收來自CMS的操作命令和設(shè)置。因此，該方案提供了3G/4G、Wi-Fi、以太網(wǎng)等無線和有線多種連接技術(shù)，甚至還在遠(yuǎn)程監(jiān)控中使用了LoRa技術(shù)。

4) 保護(hù)、診斷和故障報(bào)告：為了預(yù)防故障，系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制反應(yīng)非?？欤梢苑雷o(hù)電涌或雷擊等外部事件；意外誤操作或故意不正確操作/濫用等操作問題；或者短路、過熱或過壓/過流等電路內(nèi)部問題。為了保持較低的運(yùn)營成本并最大程度地減少停機(jī)時(shí)間，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)告可能不時(shí)出現(xiàn)的問題。模塊化構(gòu)造可以現(xiàn)場(chǎng)顯示需要更換的故障電路，因此，維修技術(shù)人員可以提前備好配件。

本文簡要介紹了如何部署電動(dòng)汽車太陽能充電系統(tǒng)?？蛻艨梢栽谝夥ò雽?dǎo)體的印度諾伊達(dá)開發(fā)中心體驗(yàn)可行的功能原型和各種子模塊，開發(fā)中心可根據(jù)OEM客戶需求定制設(shè)計(jì)。電動(dòng)車和電動(dòng)汽車充電設(shè)施是開發(fā)中心的主要研究方向，在如何提高上述功能模塊的性能方面進(jìn)行了大量的研究，可為客戶提供開發(fā)電動(dòng)汽車充電站所需的全部半導(dǎo)體元器件，以及大量的參考設(shè)計(jì)，以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。