電動汽車 (EV) 正在世界各地上路，而且還會有數(shù)百萬輛電動汽車即將到來。向低碳或零碳經(jīng)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(xiàn)能源自給自足的夢想。

風(fēng)云變幻

可再生能源繼續(xù)在世界發(fā)電結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu) (IRENA) 的數(shù)據(jù)，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(xiàn)了一半以上的新安裝量，而北美和歐洲則擴大了產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù) IRENA 的數(shù)據(jù)，風(fēng)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(fēng)是一種清潔、易得的可再生能源。今年，風(fēng)力發(fā)電機組功率在1.5至12兆瓦（MW）范圍內(nèi)，5MW及以上的風(fēng)力發(fā)電機組用于海上安裝?！摆厔菔浅叩娘L(fēng)力渦輪機功率發(fā)展，因此電力電子設(shè)備的潛力將越來越高，”羅西娜說。在風(fēng)力渦輪機中，電力電子設(shè)備包括發(fā)電機、AC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)對發(fā)電流量的適當(dāng)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?！八艿讲煌愋偷膽?yīng)用、補貼和發(fā)電成本低的強烈推動，也稱為平準(zhǔn)化能源成本?！?/p>

風(fēng)能和光伏是相對成熟的技術(shù)，無論是年裝機量還是總裝機容量，現(xiàn)有市場都很大。但仍然存在一些問題。“我們無法按需生產(chǎn)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(wǎng)確實無法接受高份額的間歇性電力。“這是新風(fēng)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(wǎng)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(xiàn)在說還為時過早，但電力電子領(lǐng)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(guān)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(biāo)，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(yù)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(shè)備市場”?！捌囍圃焐陶龑Ｗ⒂诖笕萘侩姵亍Ｋ鼈兛蔀殡妱悠?(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(shù)關(guān)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(chǔ)設(shè)施為未來的車型奠定了基礎(chǔ)。

為了使我們的道路電氣化，我們需要可以在幾分鐘內(nèi)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?jīng)存在。保時捷的 Taycan 現(xiàn)在最高可以充電 250 千瓦，特斯拉已經(jīng)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。“必須在化學(xué)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(shù)電動汽車車主在晚上下班回家時為車輛充電。這可能會導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定，因為電網(wǎng)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(wǎng) (IoE) 的實施，這是一個分布式能源網(wǎng)絡(luò)，可使用安全通信和先進的電力電子設(shè)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(chǎn)更少的電力，而在高峰時段生產(chǎn)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(gòu)最大限度地減少了它們的缺點，同時強調(diào)了它們的優(yōu)勢并最終增加了附加值。

為了避免電網(wǎng)不穩(wěn)定并促進風(fēng)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(guān)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(yù)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(guān)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(cè)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(wǎng)，我們可以使用來自電動汽車電池的能量為電網(wǎng)供電?！?/p>

隨著更多電動汽車 (EV) 預(yù)計在未來幾年上路，Rosina 發(fā)現(xiàn)了電力電子組件（例如充電器、風(fēng)力轉(zhuǎn)換器、PV 逆變器、HVDC 轉(zhuǎn)換器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器）的強大機會。這將迎來碳化硅和氮化鎵等新半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，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