從印度的交通電動化趨勢，淺談太陽能與電動汽車充電系統(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化，積極推廣電動汽車，電子產(chǎn)業(yè)看好本土電動汽車的研制活動。大型OEM廠商正在研發(fā)電動汽車，同時電動汽車生態(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)公司在電動汽車充電器、充電站以及軟件和云計算服務(wù)開發(fā)方面開始發(fā)力，且初見成效。但是，電子系統(tǒng)還有很多改進機會。本文將以印度的交通電動化趨勢為例, 探討太陽能與電動汽車充電系統(tǒng)的應(yīng)用與布局。

在BIS、ARAI、EESL等機構(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準充電器，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)，充電站場地選址是一個難題，電網(wǎng)是否為電動汽車預(yù)留了負載的問題依然存在。

這些問題可以通過太陽能發(fā)電來解決。太陽能發(fā)儲電不僅可以補充電網(wǎng)供電能力，還可以在全國各地安裝，即使不連接電網(wǎng)也可以給電動汽車充電。幸運的是，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?？紤]其至少20-25年的使用壽命，太陽能充電站一次性安裝費和資金投入比較合理，性價比高，在幾年內(nèi)就能獲得投資回報。在投入使用后，電站的電源幾乎是免費供給。下面介紹一個利用太陽能發(fā)儲電給電動汽車充電的可行方案，將會涉及太陽能發(fā)儲電方法、分布式電池管理、功率轉(zhuǎn)換、通信連接，以及開發(fā)一個可擴展的模塊化太陽能電動汽車充電站所需的基本模塊。

下圖是一個典型的電動汽車太陽能充電站功能示意圖。

圖1：電動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，負責(zé)信息交換和人機交互，組件通常包括TFT觸屏和用于身份驗證或付款的NFC讀卡設(shè)備，為實現(xiàn)更高級的功能，或許還有藍牙接口。充電連接器支持不同的充電標準：小型電車和電動三輪車用AC慢充、電動汽車AC和DC快充。在開始充電前，用戶必須驗證身份，設(shè)置充電偏好。較復(fù)雜的功能是在后臺進行的，中央控制器和其它模塊負責(zé)監(jiān)控后臺運行。

電流和電源管理：充電系統(tǒng)有3個電源。首先是太陽能光伏板。本文不討論太陽能板面積測算，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，這是一個能效極高的DC-DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部運行最大功率點跟蹤算法，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。

第二個電源是電網(wǎng)。因為本充電站是設(shè)計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)因為光照不足，太陽能板無法全年發(fā)電，電網(wǎng)必須在某些季節(jié)補充太陽能發(fā)電。本充電系統(tǒng)本質(zhì)上是一個太陽能儲電設(shè)備，在用電高峰時段可以通過雙向并網(wǎng)逆變器補充電網(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“一站兩用”的解決方案。

第三個電源是儲電站。當下的趨勢是使用鋰電池建站，因為鋰電池使用壽命長，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，最后連到一個兼具監(jiān)控功能的接線盒端接單元。每個電池都有一個數(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電池、電池串或整個電池庫的運行狀況。本質(zhì)上，這是一個數(shù)據(jù)集中器和一個開關(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)。這是一個可擴展的模塊化系統(tǒng)，模塊通常是可擴展的，每個模塊是3-5kW，配有通信總線，通常是CAN或MODBUS/RS485。中央控制器可隨時根據(jù)功能需求配置模塊，例如：充電管理、負載管理、診斷檢查。在控制器內(nèi)有一個開通模塊，用于監(jiān)控用電情況，基本參數(shù)包括用電量kWh、儲電量kWh和發(fā)電量/輸出電量kWh?？刂破鬟€可以與行業(yè)標準電表通信，實現(xiàn)計費和費率設(shè)置。

圖2：后臺的電源系統(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DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，滿足充電負載需求。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。雙向逆變器有兩個用途：為直流母線供電，滿足用電需求;在充電站閑時向電網(wǎng)回送電能，或在電網(wǎng)用電高峰時段補充電網(wǎng)供電能力。下面是當今任何功率轉(zhuǎn)換模塊都需達到的關(guān)鍵能效指標：

1) 能效極高：現(xiàn)在端到端實際能效高于 95%

2) 功率密度極高：因為物業(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)展進步，可以滿足上述兩點要求。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)計有更高的輸出功率。

主中央控制器是充電站的大腦，負責(zé)充電前的用戶/預(yù)約用戶身份驗證和人機交互等全部功能，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手機甚至藍牙完成用戶驗證和支付。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，太陽能與儲能混合充電，或者電網(wǎng)輔助太陽能充電?？赡艽嬖陔娔芄┙o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，為了實現(xiàn)遠程監(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))定期通信會話，報告交易、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)，甚至還在遠程監(jiān)控中使用了LoRa技術(shù)。

4) 保護、診斷和故障報告：為了預(yù)防故障，系統(tǒng)保護機制反應(yīng)非?？?，可以防護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。為了保持較低的運營成本并最大程度地減少停機時間，系統(tǒng)能夠自動報告可能不時出現(xiàn)的問題。模塊化構(gòu)造可以現(xiàn)場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)體的印度諾伊達開發(fā)中心體驗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。電動車和電動汽車充電設(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行了大量的研究，可為客戶提供開發(fā)電動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，以縮短產(chǎn)品上市時間。