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，電子產業看好本土電動汽車的研制活動。大型OEM廠商正在研發電動汽車，同時電動汽車生態系統也在平穩的建設中，老牌企業以及各種初創公司在電動汽車充電器、充電站以及軟件和云計算服務開發方面開始發力，且初見成效。但是，電子系統還有很多改進機會。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的應用與布局。

在BIS、ARAI、EESL等機構組織幫助下，印度政府已經發布了充電站技術規范；部分原有規范如AC-001和DC-001的充電器已經開發出來，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，這些系統的電源完全依賴于電網，在大城市和半城鎮化地區，充電站場地選址是一個難題，電網是否為電動汽車預留了負載的問題依然存在。

這些問題可以通過太陽能發電來解決。太陽能發儲電不僅可以補充電網供電能力，還可以在全國各地安裝，即使不連接電網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。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和資金投入比較合理，性價比高，在幾年內就能獲得投資回報。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儲電給電動汽車充電的可行方案，將會涉及太陽能發儲電方法、分布式電池管理、功率轉換、通信連接，以及開發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讀卡設備，為實現更高級的功能，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，設置充電偏好。較復雜的功能是在后臺進行的，中央控制器和其它模塊負責監控后臺運行。

電流和電源管理：充電系統有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轉換器，內部運行最大功率點跟蹤算法，轉換效率超過98％。這些轉換器通常是多相交錯的降壓或降壓-升壓轉換器，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，但出于法規和安全考慮，大多數轉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、純數字或模數混合方法。

第二個電源是電網。因為本充電站是設計目的是最大程度地利用太陽能，所以電網充電是備選電源。不過，有些地區電網是間歇性供電，還有些地區因為光照不足，太陽能板無法全年發電，電網必須在某些季節補充太陽能發電。本充電系統本質上是一個太陽能儲電設備，在用電高峰時段可以通過雙向并網逆變器補充電網供電能力，起到發電廠的作用。有了合理的凈電量結算政策，太陽能發電廠或自備電廠就可以合法地向電網回送電力，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。為節省占地成本，電池可以安裝在地下。這些鋰電池組通過混聯和串聯的方式連接在一起，最后連到一個兼具監控功能的接線盒端接單元。每個電池都有一個數據端口，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。本質上，這是一個數據集中器和一個開關單元，控制電池組電路的輸入輸出狀態。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架構。這是一個可擴展的模塊化系統，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。在控制器內有一個開通模塊，用于監控用電情況，基本參數包括用電量kWh、儲電量kWh和發電量/輸出電量kWh。控制器還可以與行業標準電表通信，實現計費和費率設置。

圖2：后臺的電源系統

主要的電源管理模塊：DC-DC轉換器模塊連接DC母線。根據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轉換器。該方案通常用于DC快速充電，并且可以串聯多個DC-DC轉換器模塊，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回送電能，或在電網用電高峰時段補充電網供電能力。下面是當今任何功率轉換模塊都需達到的關鍵能效指標：

1） 能效極高：現在端到端實際能效高于 95％

2） 功率密度極高：因為物業成本較高，系統尺寸變得越來越小

利用硅技術的發展進步，可以滿足上述兩點要求。寬帶隙半導體材料，尤其是碳化硅器件，具有很高的開關頻率，更高的結溫和能效。此外，硅技術的進步讓無源元件（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、低損耗設計有更高的輸出功率。

主中央控制器是充電站的大腦，負責充電前的用戶/預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。系統控制器連續監視電能供需關系，然后，根據情況選擇充電模式：純太陽能充電，太陽能與儲能混合充電，或者電網輔助太陽能充電。可能存在電能供給過剩或用電需求過高的情況，系統控制器應該具備一定的智能，根據供需關系，通過更改上述各種電源塊的設置，改變輸電通道。

3） 通信連接：目前，為了實現遠程監控，充電站和充電樁都需要連接到云端，與CMS（中央管理系統）定期通信會話，報告交易、參數、診斷和操作數據，接收來自CMS的操作命令和設置。因此，該方案提供了3G/4G、Wi-Fi、以太網等無線和有線多種連接技術，甚至還在遠程監控中使用了LoRa技術。

4） 保護、診斷和故障報告：為了預防故障，系統保護機制反應非常快，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，系統能夠自動報告可能不時出現的問題。模塊化構造可以現場顯示需要更換的故障電路，因此，維修技術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。客戶可以在意法半導體的印度諾伊達開發中心體驗可行的功能原型和各種子模塊，開發中心可根據OEM客戶需求定制設計。電動車和電動汽車充電設施是開發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，可為客戶提供開發電動汽車充電站所需的全部半導體元器件，以及大量的參考設計，以縮短產品上市時間。

RANAJAY MALLIK

意法半導體