可再生能源推动电力电子未来

电动汽车 (EV) 正在世界各地上路，而且还会有数百万辆电动汽车即将到来。向低碳或零碳经济迈进，市场研究公司 Yole Développement（法国里昂）敦促利用可再生能源的未开发潜力来提高其性能、可靠性和使用寿命，并降低其电力电子元件的成本。最终，可再生能源和电动汽车可以配对、相互增强，并实现能源自给自足的梦想。

风云变幻

可再生能源继续在世界发电结构中占据主导地位。根据国际可再生能源机构 (IRENA) 的数据，2019 年全球可再生能源容量达到 2537 吉瓦 (GW)，比上一年增加 176 吉瓦。亚洲实现了一半以上的新安装量，而北美和欧洲则扩大了产能。

Yole Développement 电力电子与电池首席分析师 Milan Rosina 评论道：“今天，我们正处于电力转型的中间阶段，从使用煤炭和天然气等化石燃料的污染发电转向可再生能源。” “近年来，我们看到可再生能源的新装置持续增长，对不可再生能源的兴趣下降。”

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2019 年，可再生能源占总新增容量的 72%，超过了更多化石燃料。根据 IRENA 的数据，风能和光伏占全球新增可再生能源容量的 90%，分别为 623 吉瓦和 586 吉瓦。

风是一种清洁、易得的可再生能源。今年，风力发电机组功率在1.5至12兆瓦（MW）范围内，5MW及以上的风力发电机组用于海上安装。“趋势是朝着更高的风力涡轮机功率发展，因此电力电子设备的潜力将越来越高，”罗西娜说。在风力涡轮机中，电力电子设备包括发电机、AC/DC 和 DC/AC 转换器，以实现对发电流量的适当控制。

光伏市场继续增长，“我们看到可再生能源市场（以千兆瓦为单位）越来越多地受到光伏装置的推动，”罗西娜说。“它受到不同类型的应用、补贴和发电成本低的强烈推动，也称为平准化能源成本。”

风能和光伏是相对成熟的技术，无论是年装机量还是总装机容量，现有市场都很大。但仍然存在一些问题。“我们无法按需生产电力，而且我们拥有的装置越多，我们遇到的问题就越多，”Rosina 说。目前的电网确实无法接受高份额的间歇性电力。“这是新风能和光伏装置的限制因素。”

我们会拥有一个完全可再生的电网吗？我们能不能让几乎所有东西都通电？只用可再生能源为电动汽车充电？现在说还为时过早，但电力电子领域的创新前景广阔。

汽车电气化

随着人们对环境的日益关注和日益严格的排放法规，电动汽车被视为一种替代交通方式。Rosina 说：“由于政府制定了减少移动二氧化碳排放的积极目标，汽车制造商必须在他们的车队中实施电动汽车模型，以避免一些严厉的惩罚。”

电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV)，尤其是插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 和纯电动汽车 (BEV)，可以减少出行中的二氧化碳排放。Rosina 表示，预计到 2024 年可充电汽车将达到 1300 万辆，它们代表了“一个非常有趣的电力电子设备市场”。“汽车制造商正专注于大容量电池。它们可为电动汽车 (EV) 提供更高的功率，并为客户提供更多附加值。” 随着电池容量的增加和效率的提高，行驶里程确实增加了。

图 1：WLTP 行驶里程与电池组容量的函数关系

为了给大容量电池充电，需要更高功率的充电器。今天的电动汽车直流充电站通常以 400V 左右的电压运行，但“800V 电池有明显的发展趋势”。迄今为止，只有保时捷的 Taycan 可以被视为配备 800V 电池的商用车辆，但其充电基础设施为未来的车型奠定了基础。

为了使我们的道路电气化，我们需要可以在几分钟内充电的价格合理的电池。可以肯定的是，快速电动汽车充电器已经存在。保时捷的 Taycan 现在最高可以充电 250 千瓦，特斯拉已经更新了其 Model 3 的充电速率为 250 千瓦。但是，必须在电池组级别进行重大改进，才能使电池安全高速充电。“必须在化学层面和电池管理系统 (BMS) 层面进行一些改进，”Rosina 说。EV 电池组由多个电芯模块组成，BMS 实时工作以监控单个电芯的性能并确保它们正常运行。

图 2：近期 EV/HEV 电池组电压和电机功率概览

电动汽车充电负荷很大，通常与典型的住宅高峰时段重合，因为大多数电动汽车车主在晚上下班回家时为车辆充电。这可能会导致电网不稳定，因为电网可能无法在高峰时段提供足够的电力进行充电，尤其是在某些地区。解决方案在于能源互联网 (IoE) 的实施，这是一个分布式能源网络，可使用安全通信和先进的电力电子设备智能地管理电力。万物互联确实帮助各国管理能源需求，使发电站在消费需求低时生产更少的电力，而在高峰时段生产更多的电力。通过互连不同的系统——发电、输配电、存储和消费——综合起来，IoE 架构最大限度地减少了它们的缺点，同时强调了它们的优势并最终增加了附加值。

为了避免电网不稳定并促进风电和光伏发电的普及，固定电池已成为一种有趣的解决方案。需求急剧上升，尤其是与间歇性可再生能源相关的需求，但仍远小于 BEV 和 PHEV。Yole 估计，到 2025 年，BEV 和 PHEV 加起来将占总 GWh 需求的 75.9%，电池组的年度总需求预计将增长七倍，从 2019 年的 111.7 GWh 增加到 852.5 GWh。

未来，双向充电器，被称为车到家、车到楼或车到万物，可能在电气化交通生态系统中发挥关键作用。然后，电动汽车可以用作住宅备用电源。Rosina 说：“如果一侧有间歇性能量，则可以使用固定电池系统甚至在 EV 电池中存储这种能量。” “另一方面，通过车辆到电网，我们可以使用来自电动汽车电池的能量为电网供电。”

随着更多电动汽车 (EV) 预计在未来几年上路，Rosina 发现了电力电子组件（例如充电器、风力转换器、PV 逆变器、HVDC 转换器、DC/DC 转换器）的强大机会。这将迎来碳化硅和氮化镓等新半导体材料的出现，以提高组件效率和新的封装解决方案，以处理高功率密度材料的散热问题。

审核编辑 黄昊宇