GaN助力实现更快、能效更高的充电

我们的宽带隙电源、检测和连接技术使工程师能够实现V2G 储能，从而促进更加可持续、高效且经济实惠的能源管理。

全球各地的老式电网都面临着空前高涨的需求，而且这种压力只会随着汽车电气化而逐渐加剧。但是，如果电动汽车 (EV) 可以通过电力回馈来减轻电网负担，会怎样呢？

这个概念被称为车辆到电网 (V2G)，设想电动汽车可提供电池电源储存的电能以增强电网功能，特别是在电力峰值需求时段。随着新的充电和电池储能解决方案的出现以及经过验证的技术被重新部署，这一愿景逐渐引起关注。

随着各国努力减排和发展可再生能源，环境目标也推动了这一愿景的实现。汽车电气化是这一旅程的一部分，但管理数百万电动汽车车主的电力需求将是一项挑战。每辆电动汽车行驶 100 英里平均所需的能量与每天为普通家庭供电所需的能量大致相同。如果所有车主同时充电，电网会面临巨大压力。

“问题不在于电网的整体容量，”TI 电网基础设施部门总经理 Henrik Mannesson表示，“电网的峰值容量才是真正的问题所在。众所周知，随着我们越来越依赖电力，这些峰值越来越高，而且出现的越来越频繁。极端天气事件进一步加剧了电网的压力。借助半导体技术， V2G 双向充电可以缓解用电高峰，让我们所有人受益。”

支持双向充电的半导体技术可以将电动汽车动力电池转变为储能系统，并在需要时将电力回馈到电网。通过优化电力负载管理，宽带隙电源管理、检测和连接技术可以确保更可靠、更智能和更安全的电网，为可再生能源的发展铺平道路。

GaN 助力实现更快、能效更高的充电

创建更高效 V2G 解决方案的构建块之一是宽带隙技术功率半导体，如氮化镓 (GaN)。与传统硅功率器件相比，GaN 在电动汽车、电动汽车充电站和储能系统等应用中可以将电源或电源管理系统的功率密度提高三倍。这种优势可助力实现充电速度更快、系统尺寸更小和方案成本更低的设计。

“GaN 帮助工程师实现了相对传统功率半导体设计的三倍功率密度，显著减小了直流壁挂式充电箱等应用的尺寸并降低了成本，”TI GaN 产品经理 David Snook表示，“对于这些应用，尺寸的减小和重量的减轻是 GaN 带来的显著成果。”

更小、更轻的充电站提供了更大的灵活性，电网运营商可以更轻松地将其推广到更多地方。更便携的系统，如直流壁挂式充电箱，也意味着电动车车主在需要时能够更方便地为他们的住宅充电或供电。

电流检测技术实现了能源节约

在电动汽车和电网之间传输能量时，检测技术也是追求效率的关键。为了在电源转换系统中实现电压和电流控制回路，微控制器需要隔离、快速和准确的电压及电流读数。我们的隔离式放大器和模数转换器 (ADC) 产品组合与小电流分流电阻器配合使用，可降低功耗并实现高精度测量，从而在电力回馈电网时进行精确控制。

“准确的电流检测可以帮助我们将电池中储存的能量转换为电网可使用的交流电，”TI 负责管理隔离式 ADC 和放大器产品组合的 Navin Kommaraju表示。

监控“充电状态”有助于电动汽车车主更有效地管理他们的能源。准确的监视器可以帮助用户从电池中获得多达 20% 的额外容量，而不会对电池造成损坏。例如，如果一些电动汽车车主只是开车上下班，他们可能不需要总是让汽车电池充满电。智能检测技术更高的准确性可以使电动汽车能够提醒车主将电力回馈给电网或为他们的住宅提供电能。

虽然效率很重要，但安全性对于 V2G 解决方案至关重要。电动汽车车主需要确保电动汽车之间的动力转换可靠且一致。除了检测技术，电池管理系统可以通过管理电压、电流、温度和其他性能指标来帮助监控电池的“健康状态”。

“电池管理系统是第一道防线，”TI 汽车电池监控产品的 Spencer Hu表示，“如果电池状况不佳，车主可能不想将其连接到电网，因为它会加速电池老化，最终影响续航里程。”

用于管理电力负载的连接解决方案

将 V2G 从概念转变为现实最终是一项数据驱动的任务，需要电动汽车、充电基础设施和电网之间的智能通信。对于电网运营商预测和调整电动汽车在不同时间、地点和场景所需的电力负载，先进的连接解决方案和智能电能计量技术至关重要。无论是在车主为其电动汽车充电时向车主收费，还是在车主将电力回馈给电网时补偿车主，都需要可靠且安全的实时通信。

与此同时，电动汽车车主需要有效且智能的人机界面 (HMI)，例如可以通过各种协议（WiFi、Bluetooth 或 Sub-1GHz）进行连接的显示屏和触摸板。若要管理各种通信接口，同时确保充电期间的高质量用户体验，则需要应用处理器在单个芯片上处理多种功能。我们的 Sitara AM62 处理器作为中央决策者，负责管理人机和电动汽车到充电器接口的通信以及充电站和云之间的通信。借助此类处理器能够使系统满足 V2G 通信的全球标准和协议，例如 ISO15118 即插即用和开放充电协议 (OCPP)。

像 AM62 这样的处理器将使电网运营商能够优化电力负载管理，同时通过智能 HMI 通知电动汽车驾驶员有关充电或电力回馈的理想时间。由于随着时间推移系统会收集更多 V2G 数据，具有边缘 AI 处理能力的处理器还为在电网中实现更多智能功能铺平了道路。

“我们可以将 AI 放在首位，在数据中寻找规律，”TI Sitara 处理器产品线经理 Artem Aginskiy表示，“它可以根据电网和充电器当下的行为来预测未来的理想充电时间和地点。”

半导体技术可将 V2G 变为现实

诸如停电之类的事件更难预测，但当家里的灯熄灭时，电动汽车用户仍可受益于半导体技术的升级。借助支持 V2G 的连接创新，用户还可以在停电期间使用汽车电池为他们的住宅供电。这种车辆到住宅 (V2H) 的解决方案将通过太阳能电池和电池储存系统，补充住宅和电网之间的双向充电，这可能会刺激可再生能源的采用。

建设基础设施以推动汽车电气化需要一些时间。但从技术的角度来看，这些要求全都已经满足。通过更高效的电力负载管理，V2G 的环境效益也很引人注目。

“半导体技术可以帮助电网应对汽车电气化带来的电力需求挑战，”Henrik 表示，“与此同时，智能解决方案可以让电动汽车用户更容易将电力回馈到电网。”

热衷于创造更美好的世界

帮助工程师将 V2G 能源储存解决方案变为现实，只是我们致力于通过半导体技术降低电子产品成本、让世界更美好并以此实现公司愿景的方式之一。每一代的技术创新都建立在上一代创新的基础之上，其核心之处在于通过新技术将系统变得更小巧、更高效、更可靠和更经济实惠。这就是工程的进步，也正是我们数十年来一直在坚持做的事。

审核编辑：汤梓红