Инженер

Лука Мартини, системный инженер, Analog Devices

В XXI веке правительства стран мира работают над планами действий по решению сложных и долгосрочных задач по сокращению выбросов CO2. Доказано, что выбросы CO2 являются причиной разрушительных последствий изменения климата, а потребности в новых эффективных технологиях преобразования энергии и улучшенном химическом составе аккумуляторов быстро растут.

С учетом как возобновляемых, так и невозобновляемых источников энергии, только в прошлом году население мира потребило почти 18 триллионов кВтч, и спрос продолжает расти; фактически более половины когда-либо произведенной энергии было потреблено за последние 15 лет.

Наши электрические сети и генераторы энергии постоянно расширяются; потребность в более эффективной и экологически чистой энергии никогда не была такой острой. Поскольку его было проще использовать, первые разработчики сетей работали с переменным током (переменный ток), чтобы снабжать мир электроэнергией, но во многих областях постоянный ток (постоянный ток) может значительно повысить эффективность.

Благодаря развитию эффективных и экономичных технологий преобразования энергии на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как устройства GaN и SiC, многие приложения теперь видят преимущества в переходе на обмен энергией постоянного тока. Как следствие этого, прецизионные измерения энергии постоянного тока становятся актуальными, особенно когда речь идет о выставлении счетов за электроэнергию. В этой статье будут обсуждаться возможности измерения постоянного тока на зарядных станциях для электромобилей, производстве возобновляемой энергии, серверных фермах, микросетях и одноранговом распределении энергии, а также будет предложена конструкция счетчика энергии постоянного тока.

Темпы роста подключаемых к сети электромобилей (EV) оцениваются в +70% CAGR по состоянию на 2018 год1 и, по прогнозам, будут расти на +25% CAGR из года в год с 2017 по 2024 год.2 Рынок зарядных станций будет расти со среднегодовым темпом 41,8% с 2018 по 2023.3 Однако для ускорения сокращения выбросов CO2, вызванных частным транспортом, электромобили должны стать первым выбором на автомобильном рынке.

В последние годы большие усилия были направлены на повышение емкости и срока службы аккумуляторов, но широко распространенная сеть зарядки электромобилей также является фундаментальным условием, позволяющим совершать длительные поездки, не беспокоясь о запасе хода или времени зарядки. Многие поставщики электроэнергии и частные компании внедряют быстрые зарядные устройства мощностью до 150 кВт, и существует большой интерес к сверхбыстрым зарядным устройствам мощностью до 500 кВт на зарядную установку. Учитывая сверхбыстрые зарядные станции с локализованной пиковой мощностью зарядки до мегаватт и связанные с ними надбавки за энергию для быстрой зарядки, зарядка электромобилей станет огромным рынком обмена энергией, что приведет к необходимости точного выставления счетов за электроэнергию.

В настоящее время стандартные зарядные устройства для электромобилей измеряют ток на стороне переменного тока, но при этом отсутствует измерение энергии, теряемой при преобразовании переменного тока в постоянный, и, следовательно, выставление счетов является неточным для конечного потребителя. С 2019 года новые правила ЕС обязывают поставщиков энергии выставлять счет клиенту только за энергию, переданную электромобилю, в результате чего потери на преобразование и распределение энергии ложатся на поставщика энергии.

Хотя современные преобразователи SiC EV могут достигать КПД выше 97 %, существует очевидная необходимость обеспечения точного расчета на стороне постоянного тока для быстрых и сверхбыстрых зарядных устройств, где энергия передается в постоянном токе при прямом подключении к аккумулятору электромобиля. автомобиль. Помимо государственных интересов по измерению заряда электромобилей, частные и жилые одноранговые схемы зарядки электромобилей могут иметь еще больший стимул для точного выставления счетов за электроэнергию на стороне постоянного тока.

Рисунок 1. Учет энергии постоянного тока на заправочной станции для электромобилей будущего.

Рисунок 2. Измерение энергии постоянного тока в устойчивой микросетевой инфраструктуре.

Что такое микросеть? По сути, микросеть — это уменьшенная версия энергосистемы. Таким образом, требуется безопасная, надежная и эффективная энергия. Примеры микросетей можно найти в больницах, на военных базах и даже в составе коммунальных систем, где возобновляемые источники энергии, топливные генераторы и хранилища энергии работают вместе, чтобы создать надежную систему распределения энергии.