探讨：太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局
众所周知，印度政府在全国推行交通工具电动化，积极推广电动汽车，电子产业看好本土电动汽车的研制活动。大型OEM厂商正在研发电动汽车，同时电动汽车生态系统也在平稳的建设中，老牌企业以及各种初创公司在电动汽车充电器、充电站以及软件和云计算服务开发方面开始发力，且初见成效。但是，电子系统还有很多改进机会。本文将以印度的交通电动化趋势为例, 探讨太阳能与电动汽车充电系统的应用与布局。
意法半导体,RANAJAY MALLIK
在BIS、ARAI、EESL等机构组织帮助下，印度政府已经发布了充电站技术规范；部分原有规范如AC-001和DC-001的充电器已经开发出来，并部署在了选定位置的充电站。最新指引要求充电站必须配备多种标准充电器，即CCS AC 2型和CHADEMO连接器，以及较低功率的AC和DC-001充电器。但是，这些系统的电源完全依赖于电网，在大城市和半城镇化地区，充电站场地选址是一个难题，电网是否为电动汽车预留了负载的问题依然存在。
这些问题可以通过太阳能发电来解决。太阳能发储电不仅可以补充电网供电能力，还可以在全国各地安装，即使不连接电网也可以给电动汽车充电。幸运的是，印度的太阳能推广很成功，地理位置让印度拥有丰富的太阳能。考虑其至少20-25年的使用寿命，太阳能充电站一次性安装费和资金投入比较合理，性价比高，在几年内就能获得投资回报。在投入使用后，电站的电源几乎是免费供给。下面介绍一个利用太阳能发储电给电动汽车充电的可行方案，将会涉及太阳能发储电方法、分布式电池管理、功率转换、通信连接，以及开发一个可扩展的模块化太阳能电动汽车充电站所需的基本模块。
下图是一个典型的电动汽车太阳能充电站功能示意图。
图1：电动汽车太阳能充电站功能框图
用户终端主要显示终端用户所能看到的功能，负责信息交换和人机交互，组件通常包括TFT触屏和用于身份验证或付款的NFC读卡设备，为实现更高级的功能，或许还有蓝牙接口。充电连接器支持不同的充电标准：小型电车和电动三轮车用AC慢充、电动汽车AC和DC快充。在开始充电前，用户必须验证身份，设置充电偏好。较复杂的功能是在后台进行的，中央控制器和其它模块负责监控后台运行。
电流和电源管理：充电系统有3个电源。首先是太阳能光伏板。本文不讨论太阳能板面积测算，通常情况下，充电站功率至少要几千瓦。在额定光照度条件下，太阳能板正常发电量约150W /平方米。太阳能板将电能送入MPPT模块，这是一个能效极高的DC-DC转换器，内部运行最大功率点跟踪算法，转换效率超过98％。这些转换器通常是多相交错的降压或降压-升压转换器，输入端和输出端的工作电压都在几百伏。电气隔离可能不是强制要求，但出于法规和安全考虑，大多数转换器都是电气隔离的。输出端连接公共直流母线，为下游负载供电。控制可以采用模拟、纯数字或模数混合方法。
第二个电源是电网。因为本充电站是设计目的是最大程度地利用太阳能，所以电网充电是备选电源。不过，有些地区电网是间歇性供电，还有些地区因为光照不足，太阳能板无法全年发电，电网必须在某些季节补充太阳能发电。本充电系统本质上是一个太阳能储电设备，在用电高峰时段可以通过双向并网逆变器补充电网供电能力，起到发电厂的作用。有了合理的净电量结算政策，太阳能发电厂或自备电厂就可以合法地向电网回送电力，因此，这是一个“一站两用”的解决方案。
第三个电源是储电站。当下的趋势是使用锂电池建站，因为锂电池使用寿命长，非常适合快充，放电深度和能量密度极高。为节省占地成本，电池可以安装在地下。这些锂电池组通过混联和串联的方式连接在一起，最后连到一个兼具监控功能的接线盒端接单元。每个电池都有一个数据端口，通常是CAN或RS485，通过菊花链方法将这些电池连在一起，最后连到接线盒，以便端接单元显示每个电池、电池串或整个电池库的运行状况。本质上，这是一个数据集中器和一个开关单元，控制电池组电路的输入输出状态。另外，接线盒与中央控制器通信，以决定电池的充放电操作。
下图所示是电源系统架构。这是一个可扩展的模块化系统，模块通常是可扩展的，每个模块是3-5kW，配有通信总线，通常是CAN或MODBUS/RS485。中央控制器可随时根据功能需求配置模块，例如：充电管理、负载管理、诊断检查。在控制器内有一个开通模块，用于监控用电情况，基本参数包括用电量kWh、储电量kWh和发电量/输出电量kWh。控制器还可以与行业标准电表通信，实现计费和费率设置。
图2：后台的电源系统
主要的电源管理模块：DC-DC转换器模块连接DC母线。根据充电桩所连接车辆的类型和车辆BMS的电压和电流要求，中央控制器通过通信总线配置DC-DC转换器。该方案通常用于DC快速充电，并且可以串联多个DC-DC转换器模块，满足充电负载需求。DC-AC逆变器也连接在同一DC母线上，用于给只能接受AC充电或普通慢充车辆充电。双向逆变器有两个用途：为直流母线供电，满足用电需求；在充电站闲时向电网回送电能，或在电网用电高峰时段补充电网供电能力。下面是当今任何功率转换模块都需达到的关键能效指标：
1) 能效极高：现在端到端实际能效高于 95％
2) 功率密度极高：因为物业成本较高，系统尺寸变得越来越小
利用硅技术的发展进步，可以满足上述两点要求。宽带隙半导体材料，尤其是碳化硅器件，具有很高的开关频率，更高的结温和能效。此外，硅技术的进步让无源元件（如磁性元件和电容器）的尺寸变得更小。更好的磁性材料还让小功率、低损耗设计有更高的输出功率。
主中央控制器是充电站的大脑，负责充电前的用户/预约用户身份验证和人机交互等全部功能，组件包括高性能处理器、通信连接技术和传感器。主要功能如下
1) 用户ID验证和支付：这是用户在充电站看到最多的功能，可以通过智能卡、OTP、NFC手机甚至蓝牙完成用户验证和支付。这些子系统均由板载MPU/MCU控制。
2) 电源管理：这是充电站最重要的但用户看不到的组件。系统控制器连续监视电能供需关系，然后，根据情况选择充电模式：纯太阳能充电，太阳能与储能混合充电，或者电网辅助太阳能充电。可能存在电能供给过剩或用电需求过高的情况，系统控制器应该具备一定的智能，根据供需关系，通过更改上述各种电源块的设置，改变输电通道。
3) 通信连接：目前，为了实现远程监控，充电站和充电桩都需要连接到云端，与CMS（中央管理系统）定期通信会话，报告交易、参数、诊断和操作数据，接收来自CMS的操作命令和设置。因此，该方案提供了3G/4G、Wi-Fi、以太网等无线和有线多种连接技术，甚至还在远程监控中使用了LoRa技术。
4) 保护、诊断和故障报告：为了预防故障，系统保护机制反应非常快，可以防护电涌或雷击等外部事件；意外误操作或故意不正确操作/滥用等操作问题；或者短路、过热或过压/过流等电路内部问题。为了保持较低的运营成本并最大程度地减少停机时间，系统能够自动报告可能不时出现的问题。模块化构造可以现场显示需要更换的故障电路，因此，维修技术人员可以提前备好配件。
本文简要介绍了如何部署电动汽车太阳能充电系统。客户可以在意法半导体的印度诺伊达开发中心体验可行的功能原型和各种子模块，开发中心可根据OEM客户需求定制设计。电动车和电动汽车充电设施是开发中心的主要研究方向，在如何提高上述功能模块的性能方面进行了大量的研究，可为客户提供开发电动汽车充电站所需的全部半导体元器件，以及大量的参考设计，以缩短产品上市时间。
