德州儀器助力Vehicle to Grid電動車願景

2022 年 09 月 29 日

老化的電網正面臨全球前所未有的充電需求,而且這種壓力可能只會隨著汽車電氣化而加劇。不過,如果電動車可以將電力送返電網來減輕負擔,又會是什麼樣的情境?這個概念稱為Vehicle to Grid(V2G),設想電動車能夠提供有助於加強電網的電池電力,尤其是在需求尖峰期間。隨著新型充電和電池儲存解決方案出現以及經過驗證的技術重新部署,如此的願景逐漸獲得關注。

隨著世界各國努力減少排放和增加再生能源,這項技術也由於環境目標而獲得推動。雖然汽車電氣化是這個進程的一部份,不過管理數百萬電動車車主的電力需求將是一大挑戰。平均每輛電動車行駛100英哩所需的能源與為一般住家每天用電所需的能源大致相同。如果每個人同時充電,電網可能會面臨嚴重的壓力。

德州儀器(TI)電網基礎設施總經理Henrik Mannesson表示,問題不在於電網的整體容量,挑戰在於電網的尖峰容量。隨著人們愈來愈依賴電力,這些尖峰愈來愈高,而且愈來愈頻繁。極端氣候事件更造成電網的壓力加重。藉由半導體技術,V2G雙向充電可以舒緩這些尖峰。

支援雙向充電的半導體技術可以將電動車和車用電池轉變為能源儲存系統,並在需要時將電力送返電網。寬能隙電源管理、感測和連接技術可以透過優化電力負載管理來確保電網更可靠、更智慧化和更安全,藉此展開再生能源擴展的坦途。

GaN實現更快速、更節能的充電

建立更有效率的 V2G 解決方案所需的其中一項基礎是寬能隙技術,例如氮化鎵 (GaN)。相較於傳統的矽裝置,GaN在電動車、電動車充電站和能源儲存系統等應用中確實將電源或電源管理系統的功率密度(在特定外型尺寸中管理的功率量)提高三倍。充電更快速、系統尺寸更小和擁有成本更低的設計因此得以實現。

德州儀器 GaN 產品經理 David Snook 表示,GaN 有助於工程師達到傳統晶體管的三倍功率密度,並顯著縮減DC充電座等應用的尺寸和成本。尺寸和重量的縮減是GaN在這些應用中相當重要的成果。

更小、更輕的充電站展現更大的彈性,因此電網營運商能夠更輕鬆地將這些充電站推廣到更多地方。DC充電座之類更可攜的系統也可供電動車車主在需要時為自己的家充電或供電。

電流感測技術帶來節能

在電動車和電網之間傳輸能源時,感測技術也是展現效率的關鍵。為了在電源轉換系統中實現電壓和電流控制迴路,微控制器需要絕緣、快速和準確的電壓和電流讀數。德州儀器的絕緣放大器和類比轉數位轉換器(ADC)產品組合與小電流分流電阻搭配使用,可降低功耗並實現高解析度測量,因此在電力送返電網時進行精確控制。

管理德州儀器絕緣式ADC和放大器產品組合的Navin Kommaraju表示,準確的電流感應有助將電池中的能源儲存轉換為電網可以使用的交流電。

監控「充電狀態」有助於電動車車主更確實管理自己的能源。準確的監控器可以有助於電池增加多達20%的容量,而且不會造成電池出現永久性損壞的風險。例如,一些電動車車主可能不需要自己的汽車電池一直充滿電,駕駛電動車只是為了通勤上班。智慧感測技術提高的準確性有助於電動車提醒車主將電力送返電網或為住家充電的最佳時間。

雖然效率很重要,不過安全性對於製作V2G解決方案也極為重要。電動車車主需要確保電動車的動力轉換維持可靠一致。除了感測技術,電池管理系統也可以透過管理電壓、電流、溫度和其它性能指標協助監控電池的「健全狀態」。

本公司負責管理汽車電池監控產品的Spencer Hu表示,電池管理系統是第一道防線。如果電池不健全,車主可能不會想要將電池連接到電網,因為這可能會加速電池老化,最終影響行駛里程。

用於管理電力負載的進階連接解決方案

將V2G從概念化為現實其實是數據驅動的任務,需要電動車、充電基礎設施和電網之間的智慧通訊。對於電網營運商預測和調整電動車在不同時間、地點和場合所需的電力負載,進階連接解決方案和智慧電能計量極為重要。針對電動車充電向車主收費或針對將電力送回電網向車主付費,將需要可靠和安全的大規模即時通訊。

同時,電動車車主將需要智慧人機介面(HMI),例如,可以透過WiFi、Bluetooth或Sub-1 GHz的各種通訊協定進行連線的顯示器和觸控板。管理各種通訊介面,同時確保充電期間的高品質使用者體驗,需要以單晶片處理多項功能的應用處理器。德州儀器的Sitara AM62處理器發揮中央決策的作用,負責管理跨越人機和電動車對充電器介面的通訊,以及充電站和雲端之間的通訊。這些處理器有助於工程師滿足V2G通訊的全球標準和通訊協定,例如ISO15118隨插即充電和開放式充電點通訊協定(OCPP)。

AM62之類的處理器有助於電網營運商優化電力負載管理,同時透過智慧HMI向電動車駕駛通知充電或電力送返電網的最佳時間。隨著V2G數據持續收集,具有邊緣AI功能的處理器也為內建到電網的更多智慧化功能展開持續發展的坦途。

Sitara處理器產品線經理Artem Aginskiy表示,透過AI可在一年的數據中找出固定模式。這可以根據電網和充電器的當時情況預測往後的最佳充電地點。

半導體技術可將 V2G 化為現實

停電之類的一些事件較難預測,不過,住家的燈熄滅時,電動車使用者仍然可以運用半導體技術。這種支援V2G的連接創新能夠在停電時使用汽車電池為住家供電。這種汽車對住家(V2H)解決方案將透過太陽能電池和電池儲存系統補強住家和電網之間的雙向充電,因此可能會刺激再生能源的採用。

建設基礎設施推動汽車電氣化需要時間。不過,從技術的角度來看,其中的元件都已經準備就緒。透過更有效率的電力負載管理,V2G的環境效益也相當顯著。

將DSP和處理器整合到晶片上的一個系統能夠展現極大的優勢。若不整合,DSP和處理器都需要各自的記憶體和電源,系統成本會相當高。另一個優勢是將這些操作整合到一個晶片來減少延遲。

除了節能的處理器,德州儀器的汽車級電源管理積體電路具備感測器融合、前置攝影機和網域控制器的功能安全功能,可提高汽車內的整體電源效率和功用。個別組件之外,德州儀器的整個ADAS產品生態系統都是為了確實相容而打造,汽車製造商從可以按照汽車需求和價位從整體產品組合中進行選擇。

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