可再生能源推动电力电子的未来

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电动汽车(EV)走在科技发展的道路,还有数以百万计的电动汽车即将到来。市场研究公司YoleDéveloppement(法国里昂)正朝着低碳或零碳经济发展,他呼吁利用可再生能源来提高其性能,可靠性和使用寿命,并降低其电子组件的成本。最终,可再生能源和电动汽车可以配对,彼此增强,实现能源自给自足的梦想。


电动汽车的更新


可再生能源继续主导着世界发电组合中的新增功能。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),比上年增加176吉瓦。亚洲实现了一半以上的新安装工作,而北美和欧洲则扩大了它们的产能。


YoleDéveloppement电力电子与电池分析师Milan Rosina表示:“今天,我们正处于电力转型的过渡期,正在从使用化石燃料(如煤和天然气)造成的污染发电阶段转变为可再生能源阶段。近年来,我们看到可再生能源新设备的持续增长,以及对不可再生能源的需求下降。”


2019年,可再生能源占总装机容量的72%,超过了更多的化石燃料。根据IRENA的数据,风能和光伏发电占世界新增的可再生能源容量的90%,分别为623 GW和586 GW。


风是一种清洁,易于获得的可再生能源。今年,风力涡轮机的功率在1.5至12兆瓦(MW)之间,而5MW及以上的风力涡轮机则用于海上安装。Rosina说:“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大。” 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。


风能和光伏技术是相对成熟的技术,无论是从年度安装量还是在总装机容量上,都具有庞大的现有市场。但是仍然存在一些问题。Rosina说:“我们无法按需生产电力,安装的设备越多,问题就越多。” 当前的电网确实不能接受大量的间歇性电力。“这是新的风能和光伏装置的限制因素。”


我们将拥有一个全新的电网吗?我们能否使所有东西电气化?并仅对可再生能源的电动汽车充电吗?现在说还为时过早,但是电力电子技术的创新是有希望的。


车辆电气化


随着对环境的日益关注以及不断严格的排放法规,电动汽车被视为一种可替代的运输方式。Rosina说:“政府为降低交通出行二氧化碳排放量制定了积极目标,汽车制造商必须在其车队中实施电动汽车模型,以免受到重罚。”


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)和电池电动汽车(BEV),可减少二氧化碳的排放。Rosina说,预计到2024年将有1300万辆可充电汽车可以生产出,它们代表了“电力电子设备的市场。汽车制造商正在关注大容量电池。它们为电动汽车(EV)提供了更高的功率。” 随着电池容量的增加和效率的提高,续驶里程的确增加了。

可再生能源推动电力电子的未来

为了给大容量电池充电,需要更高功率的充电器。如今,电动汽车的直流充电站通常以约400V的电压运行,但有朝着800V电池发展的趋势。迄今为止,只有保时捷的Taycan可以视为具有800 V电池的商用车辆,其充电基础设施为将来的汽车模型奠定了基础。


为了使道路电气化,我们需要价格可承受的电池,这些电池可以在几分钟内充电。可以肯定的是,快速EV充电器已经存在。保时捷的Taycan现在可以充电到250kW,特斯拉更新了Model 3,充电速度为250kW。但是,必须在电池组级别进行重大改进,以使电池能够安全地高速充电。Rosina说:“在化学方面和电池管理系统(BMS)方面必须有所改进。” EV电池组由多个电池模块组成,BMS实时工作以监视单个电池的性能,并确保它们正常运行。

可再生能源推动电力电子的未来

电动汽车的充电负荷很大,通常与典型的住宅高峰时段相吻合,因为大多数电动汽车所有者在夜晚为车辆充电。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量来充电,尤其是在某些地区。解决方案在于能源互联网(IoE)的实现,该网络是一种分布式能源资源网络,可使用安全通信和高级电力电子设备智能地管理电力。IoE确实可以帮助各国管理能源需求,使电站在消耗量较低时发电量减少,在高峰时段发电量更多。通过互连不同的系统进行发电,输配电,存储和消耗, IoE架构将它们的弊端最小化,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能和光伏电力的渗透,固定电池已成为一种有效的解决方案。需求急剧上升,特别是与间歇性可再生能源相关的需求,但仍远远低于BEV和PHEV。Yole估计,到2025年,BEV和PHEV一起将占总GWh需求的75.9%,并且对电池组的总需求预计将增长七倍,从2019年的111.7 GWh增至852.5 GWh。


随着越来越多的电动汽车(EV)有望在未来几年内能上路,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)的巨大商机。这将迎来新的半导体材料的出现,例如碳化硅和氮化镓,以提高组件效率;以及新的封装解决方案,以应对高功率密度材料的散热问题。


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