汽车是我国制造业中规模最大的产业， 替代传统燃油车是目前看来确定性极高、市场空间极广的大趋势，也是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。而充电桩是 配套基础设施，推进充电桩建设是落实 产业建设的必要条件。自充电桩被纳入“新基建”之后，热度一度攀升，资本和众多新角色开始涌入，行业人士期盼从顶层设计出发，规范充电桩行业发展。
大功率直流快充“蓝海”待挖
目前，公共交、直流充电桩的比例保持在6：4左右，交流桩的比例更多，主要是因为在行业发展初期，慢充的交流桩依靠着结构简单、技术成熟、成本低的特点，非常适合厂商跑马圈地，因此被广泛投放以抢占市场，但是在充电桩技术和市场日渐成熟后，直流桩才是未来公共充电桩的必然选择。因为直流充电桩的平均充电时长为1小时54分钟，85%的用户可以在2.5小时内结束充电，而交流充电桩平均充电时长5小时45分钟，66.2%的用户需要5小时以上的冗长充电时间，这两者将近4小时的时长差距直接决定了车主最明显的使用偏向。
充电模块是直流桩的核心设备，成本占比50%，伴随技术进步和行业规模的扩大有望进一步下降。2019年直流充电模块成本价格最低降至0.4元/W，为16年的三分之一，14年的五分之一，这极大缓解了充电桩运营商投建直流桩的资金难题，也促进了他们建设更多直流桩的热情。与此同时，动力电池的快充性能决定了快充桩的天花板，直流快充桩想要发展，必不可少需要动力电池的配合。现在的宁德时代、比亚迪等动力厂商电池都在努力提高电池能量密度以加强续航，2019年新上的纯电动乘用车能量密度基本都已经超过120Wh/kg，平均续航里程超过300km。
因此，如果纯电动车要解锁如同燃油车一般的‘快速回血’技能，就必须借助更大功率的充电桩。但功率提高带来的问题是充电桩尺寸增大、热管理等问题，要兼顾充电桩尺寸、效率和功率，提高功率器件的开关频率非常关键。半导体技术的进步让功率MOSFET器件开关频率得到快速有效提升，IGBT从过去的20k左右提升到现在40k到50k，而氮化镓(GaN)和碳化硅(SIC)MOSFET器件可以达到更高的开关频率。
隔离栅驱动器解锁大功率直流充电桩
驱动方式是达到这些开关器件所能支持的开关频率的关键，而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高，采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率发挥着关键的影响。
与传统的基于光学隔离式栅极驱动器相比，ADI提供的iCoupler隔离式栅极驱动器提供了良好的栅极驱动特性和隔离性能。传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(150-200ns)，而ADI iCoupler隔离式栅极驱动器传输延时在50-60个纳秒左右，并且传输延时一致性更好，更低的传输延迟和延时一致性对于提高开关频率和效率具有重要作用。
此外，隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一，iCoupler隔离式栅极驱动器更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说，即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。ADI ADuM4136隔离式栅极驱动器可实现150kV/µs的共模瞬变抗扰度，以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET，加上去饱和保护等快速故障管理功能，设计人员可以正确驱动高达1200V的单个或并联SiC MOSFET，可以确保充电机在不牺牲效率的情况下，在功率变换器中实现超高的功率密度。
充储一体式充电桩破局功耗难题
随着充电桩部署数量的逐渐增加，电网需要提供的局部充电峰值功率超过1MW，电网可能在多个点上崩溃，或者需要投入巨额资金，改善输电线路和集中式发电厂，大幅提高基本负荷。储能系统可以简单而优雅地解决这个问题。在未来用电负荷呈现间歇性特点的背景下，要充电的电动汽车以及太阳能、风能等间歇性能源将面临一些挑战，比如如何以电网为中心，将能源生态系统里的这些新兴参与者整合起来，提高输电线路规格，满足更高功率峰值需求。
为了使所有实体顺利合作并从可再生能源和零排放电动汽车受益，储能系统必须参与其中，确保我们可以存储和重用需求低时产生的电能，利用多余的能量来平衡电网负荷。储能系统相当于电能领域的油罐或煤炭仓库，可以用于住宅和工业规模的多种应用当中。在住宅应用中，很容易将光伏逆变器接入蓄电池，在家存储和使用能量，或者用太阳白天产生的能量在晚上为汽车充电，利用储能系统满足充电桩节点峰值负荷需求，确保无需付出高昂成本、升级现有输电线路。
可再生能源、储能系统和电动汽车充电基础设施的整合
储能装置的首要特征是双向性，处于电网的低压端。直流总线电压为1500V，连接可再生能源、电动汽车充电桩和储能系统电池。此外，还要适当确定储能系统规格，确保峰值功率和电能容量之间的比率符合具体装置的优化要求。该比率在很大程度上取决于通过太阳能、风能或其他能源在本地产生的电量、充电桩的数量、接入子电网的其他负荷以及功率变换系统的效率。
虽然功率变换器是功率变换路径的基础，但在储能系统中，确保最佳总拥有成本的关键组件是电池管理/监控系统(BMS)。为了获得这些效果，负责控制充电站能量流的能量管理系统必须非常准确地了解储能电池的SOC和健康状态(SOH)。实现精确监控的办法是使用多单元电池监控IC。LTC6813是一款多节电池的电池组监视器，可测量多达18个串联连接电池的电压，并具有小于2.2mV 的总测量误差。所有18节电池可在290μs之内完成测量，并且可以选择较低的数据采集速率以实现高的噪声抑制。同时可以将多个LTC6813器件串接起来，因而能够在高电压电池串中实现电池的同时监视。每个LTC6813具有一个isoSPI接口，用于实现高速、具有抗RF干扰能力的远程通信。
储能功率变换系统相结合，构建面向未来的充电桩解决方案
产业大力发展的背后，预示着充电桩行业的巨大市场。国务院印发的《 产业发展规划(2021—2035年)》提出要对作为公共设施的充电桩建设给予财政支持，因此，在政策的刺激下，2021年公共桩建设还将继续提速。为了应对未来的直流快速充电基础设施面临的挑战，高效功率变换系统和储能系统是关键。ADI目前正在积极研发所有这些子系统，iCoupler 隔离技术是非常有特色及可靠安全的新型隔离技术，BMS产品也拥有了对锂电池管理精度测量的传统优势，针对未来直流充电桩大功率的需求及高开关频率器件的不断推出，将持续在该领域扮演重要角色。
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