可再生能源推動電力電子未來

電動汽車 (EV) 正在世界各地上路，而且還會有數百萬輛電動汽車即將到來。向低碳或零碳經濟邁進，市場研究公司 Yole Développement（法國里昂）敦促利用可再生能源的未開發(fā)潛力來提高其性能、可靠性和使用壽命，并降低其電力電子元件的成本。最終，可再生能源和電動汽車可以配對、相互增強，并實現能源自給自足的夢想。

風云變幻

可再生能源繼續(xù)在世界發(fā)電結構中占據主導地位。根據國際可再生能源機構 (IRENA) 的數據，2019 年全球可再生能源容量達到 2537 吉瓦 (GW)，比上一年增加 176 吉瓦。亞洲實現了一半以上的新安裝量，而北美和歐洲則擴大了產能。

Yole Développement 電力電子與電池首席分析師 Milan Rosina 評論道：“今天，我們正處于電力轉型的中間階段，從使用煤炭和天然氣等化石燃料的污染發(fā)電轉向可再生能源?！?“近年來，我們看到可再生能源的新裝置持續(xù)增長，對不可再生能源的興趣下降?！?/p>

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2019 年，可再生能源占總新增容量的 72%，超過了更多化石燃料。根據 IRENA 的數據，風能和光伏占全球新增可再生能源容量的 90%，分別為 623 吉瓦和 586 吉瓦。

風是一種清潔、易得的可再生能源。今年，風力發(fā)電機組功率在1.5至12兆瓦（MW）范圍內，5MW及以上的風力發(fā)電機組用于海上安裝?！摆厔菔浅叩娘L力渦輪機功率發(fā)展，因此電力電子設備的潛力將越來越高，”羅西娜說。在風力渦輪機中，電力電子設備包括發(fā)電機、AC/DC 和 DC/AC 轉換器，以實現對發(fā)電流量的適當控制。

光伏市場繼續(xù)增長，“我們看到可再生能源市場（以千兆瓦為單位）越來越多地受到光伏裝置的推動，”羅西娜說。“它受到不同類型的應用、補貼和發(fā)電成本低的強烈推動，也稱為平準化能源成本。”

風能和光伏是相對成熟的技術，無論是年裝機量還是總裝機容量，現有市場都很大。但仍然存在一些問題?！拔覀儫o法按需生產電力，而且我們擁有的裝置越多，我們遇到的問題就越多，”Rosina 說。目前的電網確實無法接受高份額的間歇性電力?！斑@是新風能和光伏裝置的限制因素?！?/p>

我們會擁有一個完全可再生的電網嗎？我們能不能讓幾乎所有東西都通電？只用可再生能源為電動汽車充電？現在說還為時過早，但電力電子領域的創(chuàng)新前景廣闊。

汽車電氣化

隨著人們對環(huán)境的日益關注和日益嚴格的排放法規(guī)，電動汽車被視為一種替代交通方式。Rosina 說：“由于政府制定了減少移動二氧化碳排放的積極目標，汽車制造商必須在他們的車隊中實施電動汽車模型，以避免一些嚴厲的懲罰?！?/p>

電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV)，尤其是插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 和純電動汽車 (BEV)，可以減少出行中的二氧化碳排放。Rosina 表示，預計到 2024 年可充電汽車將達到 1300 萬輛，它們代表了“一個非常有趣的電力電子設備市場”?！捌囍圃焐陶龑Ｗ⒂诖笕萘侩姵?。它們可為電動汽車 (EV) 提供更高的功率，并為客戶提供更多附加值?！?隨著電池容量的增加和效率的提高，行駛里程確實增加了。

圖 1：WLTP 行駛里程與電池組容量的函數關系

為了給大容量電池充電，需要更高功率的充電器。今天的電動汽車直流充電站通常以 400V 左右的電壓運行，但“800V 電池有明顯的發(fā)展趨勢”。迄今為止，只有保時捷的 Taycan 可以被視為配備 800V 電池的商用車輛，但其充電基礎設施為未來的車型奠定了基礎。

為了使我們的道路電氣化，我們需要可以在幾分鐘內充電的價格合理的電池?？梢钥隙ǖ氖牵焖匐妱悠嚦潆娖饕呀洿嬖?。保時捷的 Taycan 現在最高可以充電 250 千瓦，特斯拉已經更新了其 Model 3 的充電速率為 250 千瓦。但是，必須在電池組級別進行重大改進，才能使電池安全高速充電?！氨仨氃诨瘜W層面和電池管理系統(tǒng) (BMS) 層面進行一些改進，”Rosina 說。EV 電池組由多個電芯模塊組成，BMS 實時工作以監(jiān)控單個電芯的性能并確保它們正常運行。

圖 2：近期 EV/HEV 電池組電壓和電機功率概覽

電動汽車充電負荷很大，通常與典型的住宅高峰時段重合，因為大多數電動汽車車主在晚上下班回家時為車輛充電。這可能會導致電網不穩(wěn)定，因為電網可能無法在高峰時段提供足夠的電力進行充電，尤其是在某些地區(qū)。解決方案在于能源互聯(lián)網 (IoE) 的實施，這是一個分布式能源網絡，可使用安全通信和先進的電力電子設備智能地管理電力。萬物互聯(lián)確實幫助各國管理能源需求，使發(fā)電站在消費需求低時生產更少的電力，而在高峰時段生產更多的電力。通過互連不同的系統(tǒng)——發(fā)電、輸配電、存儲和消費——綜合起來，IoE 架構最大限度地減少了它們的缺點，同時強調了它們的優(yōu)勢并最終增加了附加值。

為了避免電網不穩(wěn)定并促進風電和光伏發(fā)電的普及，固定電池已成為一種有趣的解決方案。需求急劇上升，尤其是與間歇性可再生能源相關的需求，但仍遠小于 BEV 和 PHEV。Yole 估計，到 2025 年，BEV 和 PHEV 加起來將占總 GWh 需求的 75.9%，電池組的年度總需求預計將增長七倍，從 2019 年的 111.7 GWh 增加到 852.5 GWh。

未來，雙向充電器，被稱為車到家、車到樓或車到萬物，可能在電氣化交通生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用。然后，電動汽車可以用作住宅備用電源。Rosina 說：“如果一側有間歇性能量，則可以使用固定電池系統(tǒng)甚至在 EV 電池中存儲這種能量?！?“另一方面，通過車輛到電網，我們可以使用來自電動汽車電池的能量為電網供電。”

隨著更多電動汽車 (EV) 預計在未來幾年上路，Rosina 發(fā)現了電力電子組件（例如充電器、風力轉換器、PV 逆變器、HVDC 轉換器、DC/DC 轉換器）的強大機會。這將迎來碳化硅和氮化鎵等新半導體材料的出現，以提高組件效率和新的封裝解決方案，以處理高功率密度材料的散熱問題。

審核編輯 黃昊宇