车辆电池组服务于电网获取弹性能量储存器

电动汽车和家庭中的高容量电池组连接到电网，提供弹性能量储存器，能够根据需要扩展和收缩以服务于电网。使用并网双向转换器，这些电池组可以帮助平衡电网上高需求峰值和低需求谷值的时段。设计合适的转换器可能具有挑战性，但工程师可以利用设计用于多个供应商的高效功率转换设备，包括Diodes Incorporated，Fairchild Semiconductor，International Rectifier，Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，STMicroelectronics，其中包括德州仪器（TI）和其他公司。

车辆到电网（V2G）或家庭到电网（H2G）电源的概念已经从对大规模招募小型能力的认识不断提高而出现能源商店应对与高度可变的电力需求相关的日益增长的挑战在宏观层面，V2G和H2G概念设想许多电动汽车（或家用电池组）在电力需求低的时候在夜间充电 - 所谓的“谷填充” - 并在需求高时将电力返回电网（“调峰” “）。虽然这些概念也适用于H2G，但考虑到电动汽车（EV）和插电式混合动力电动汽车（PHEV）的日益普及，人们的注意力主要集中在V2G上。实际上，电动汽车和插电式混合动力汽车本身就能提供强大的储能能力。电动车辆或插电式混合动力EV中的典型电池系统可以提供至少10kW的功率，因此一组PHEV可以提供总体上相当大的能量储存器。

部署V2G

然而，实际上，由于经济，技术和消费者的关注，V2G迄今为止的接受程度有限。这种方法的成功在很大程度上取决于有利的关税结构和临界质量的连接电动汽车的可用性 - 这些都不是立即可用的。在技术方面，电池磨损仍然是一个问题：使用当前可用的电池技术，持续充电和放电可以降低容量并增强磨损。最后，消费者仍然担心公用事业的公平财务激励，车辆电池的健康状况，以及车辆在实际运输需要时是否有足够的电量。然而，随着行业解决经济和技术限制，这些关键的消费者担忧将会减轻。事实上，更先进的充电/放电算法已经证明减少了对大型电池组寿命的影响。

尽管对目前的经济和技术因素感到担忧，但V2G已经形成了更灵活的配电战略的基础。例如，在所谓的世界上最大的V2G项目中，美国国防部正在洛杉矶空军基地的示范中使用一支由42辆具有V2G功能的电动车组成的车队。该车队包括电动车和混合动力车，从轿车到卡车和12辆客车，被视为国防部关注能源安全，能源供应保障，能源弹性和能源需求减少的试验平台。

虽然美国空军的V2G项目围绕着能源安全和自我维持的微电网的概念，但中国对V2G的计划更大。在其“中国2050高可再生能源渗透情景和路线图研究” 1 V2G技术被视为越来越依赖可变电源的答案（图1）。

图1：对可再生能源对中国总发电量的贡献的研究表明，人们越来越依赖太阳能和风能等可变电源，并要求部署V2G技术以平衡供需。 （由中国能源基金会提供）

根据该研究，到2050年，可再生能源对该国总发电量的贡献将从目前的46％上升到85％。同时可变电源的贡献将从30％上升到60％，给电力公司维持电力供需之间实时平衡的能力带来了巨大压力。仅在北京就有数百万辆汽车拥有足够的电动汽车，中国人认为V2G技术能够稳定北京的电网，抵御高度可变的能源。

关键启动器

V2G/H2G部署的关键技术推动因素是基本转换器。采用无源元件构建，典型的降压或升压转换器设计用于仅从输入端向输出端移动电源。然而，通过用有源开关取代传统的二极管元件，传统的转换器拓扑可以在两个方向上移动功率（图2）。这些双向转换器已经应用于能量收集应用，如再生制动，通过构建基于这种同步整流方法的转换器。

图2：传统的开关降压转换器（顶部）提供从输入到输出的电源，但是用有源开关（底部）代替传统的二极管;由此产生的同步转换器提供双向功率流。 （由德州仪器提供）

以这种方式使用，与传统的肖特基二极管相比，MOSFET等有源开关提供接近线性的电阻和更低的正向压降（图3）。正如电源设计人员所发现的那样，MOSFET具有额外的优势，包括并联工作的能力，以降低高功率应用中热失控的危险。 MOSFET具有正温度系数，因此当并联工作时，MOSFET在较热的器件中表现出电阻的增加（并因此导致电流减小），从而将功率流转移到冷却器装置。相比之下，Schottkys具有负温度系数，因此增加热量会导致更热的器件中的电流增加 - 并且热失控的可能性增加。

图3：与肖特基二极管相比，MOSFET提供更低的正向压降，从而提高了转换器效率。对于这个例子，比较30 V MOSFET和35 V肖特基二极管的正向电流为15 A，Fairchild FDMS8670S MOSFET的导通损耗为1.5 W，而Fairchild MBR4035PT肖特基的导通损耗为7.5 W. （由Fairchild Semiconductor提供）

然而，即使有其优势，设计人员也需要特别注意将MOSFET应用于同步转换器设计。 MOSFET体二极管可以表现出非常慢的反向恢复，并具有大量的反向恢复电流，从而影响转换器性能。在某些情况下，使用并联肖特基整流器有助于降低体二极管电流。事实上，专为同步整流应用而设计的Fairchild SyncFET系列MOSFET系列将PowerTrench MOSFET和并联肖特基整流器集成在一个封装中。

MOSFET体二极管反向恢复电流也可降低通过将开关的死区时间切换为零。零死区时间，体二极管中不会有电流流过，从而消除了反向恢复和体二极管导通损耗。因此，为了在同步转换器中实现MOSFET的最大效率，工程师需要应用非常严格的选通控制。

时序和性能

实际上，由于同步整流MOSFET是有源器件，它们超越肖特基二极管整流器的能力严重依赖于栅极驱动方法和用于驱动同步整流（SR）的时序MOSFET（图2中的Q2，底部）。合适的时序设计需要确保Q1和Q2不会同时处于有源导通模式。此外，需要最小化Q1和Q2之间的死区时间，以减少与SR MOSFET体二极管导通和反向恢复时间相关的频率相关功率损耗。

为了应对这些挑战，同步转换器设计人员通常依赖于高级同步整流控制器和处理器控制器脉冲宽度调制（PWM）器件中实现的复杂控制方案。在典型设计中，控制器切换MOSFET栅极驱动器，后者又控制功率MOSFET。诸如Diodes Incorporated ZXGD3104N8，International Rectifier CHL8510和Linear Technology LTC4449等栅极驱动器就是其中的一些例子。实际上，德州仪器（TI）TPS28225实现了自适应死区时间控制，无需额外的控制电路。这里，TPS28225检测到驱动器的输出变为低电平，并且不允许另一个驱动器的栅极驱动输出变为高电平，直到第一个驱动器输出低于指定的阈值。

复杂的时序方案

为实现更复杂的控制方案，设计人员可以使用PWM设备，例如由MCU控制的Microchip MCP1630V，例如Microchip PIC16F88，以提供最大化双向转换器效率所需的精确时序（图4）。同时，MCU能够使用内置运算放大器（如Microchip MCP6021）的检测电路来监控电压和电流水平。

图4：双向电源转换器依赖于自适应PWM，例如由Microchip PIC16F88等MCU控制的Microchip MCP1630V管理流入或流出电池组的电流所需的关键时序。可以缩放这种类型的设计，以实现电网和超高容量电池组之间的双向电力流动。 （由Microchip Technology提供）

在某些应用中，工程师可以使用专用的同步整流控制器，如Intersil ISL6545，Maxim Integrated MAX1771和安森美半导体TL594，它们可提供集成控制解决方案。高度集成的MCU可以提供高效的解决方案，并且只需最少的额外组件。 STMicroelectronics STM32F334和德州仪器MSP430F67641等MCU集成了模数转换器和PWM，可实现专为在同步转换器设计中运行栅极驱动器而设计的综合解决方案（图5）。

图5：工程师可以使用集成的MCU（如STMicroelectronics STM32F334）来实现复杂的控制算法，从而最大限度地提高同步转换器的效率。 （由STMicroelectronics提供）