推動現代能源的控制系統

減少二氧化碳排放已成為全球目標，並帶動了許多新技術的開發和研究。需要提高整個動力鏈的效率和新的能源存儲方法。

為了用可再生能源替代化石燃料，可以使用太陽能、風能、水能、生物質能以及地熱能。雖然生物質能和地熱能提供恆定的能源產量，但太陽、風或波浪產生的能源卻並非如此。白天產生的太陽能必須儲存起來供夜間使用。這同樣適用於風能，因為渦輪機在無風時不再提供能量。

所有這些新技術都需要電子控制電路，而電子控制電路需要從各種來源供電。下面的文章將解釋挑戰和解決方案。

增長的市場之一是電動汽車，例如，歐盟已決定 2035 年之後不得銷售配備傳統內燃機的新車。其他地區也已決定類似的禁令，而向電動汽車的轉變將需要許多 由全球不同交流電網供電的公共和私人充電站（圖 1）。

全球交流電源電壓範圍為 85Vac 至 264Vac，當今許多電源都可以在此整個範圍內工作。

能源應用中的另一個挑戰來自以下事實：充電器或壁箱等設備直接連接到保險絲面板。這意味著它們比通過電纜和插頭連接到插座的設備更容易受到電網瞬變的影響，因此必須符合具有 4kVac 隔離的過电壓類別 III (OCV III)（圖 2）。這也適用於充電器或壁箱內使用的輔助電源。

這些系統還必須能夠容忍電源接線或中性線的故障。 安裝過程中意外連接的相位，或者中性線（即使是在附近）的斷路，都可能導致系統不平衡，從而導致更高的電壓。 因此，會監控電源輸入電壓，以便在發生此類故障時斷開昂貴的高功率區塊。

該監控電路必須在所有情況下都能工作，因此 P-Duke 提供了一系列小型 AC/DC 轉換器，不僅符合 OVC III 標準，而且還可以在 85 至 530Vac 的寬電壓範圍內運行。 即使某個相錯誤地連接到中性線，輔助電源和監控電路也會工作並可以保護功率級。

現代系統應該準備好集成到智能電網或智能家居環境中。 這允許控制系統以匹配電網中電力的實際可用性。 當有剩餘能量時，汽車電池可以充電，並充當穩定電網的能量緩衝器。 高能耗的家用電器只有在有足夠的能源時才會開啟。

這意味著需要更多的相間來與電網或智能家居控制器進行通信。 相間、顯示器、觸摸板或繼電器的電源電壓範圍為 3.3V 至 24V，並且可以通過小型隔離或非隔離轉換器從輔助電源電壓總線生成（圖 3）。

正如文章開頭提到的，由於能源流動的非恆定性，可再生能源的整合還需要擴大存儲選擇。 如今，水力發電廠已用於此目的，在能量過剩時將水抽回水庫。 然而，它們的容量是有限的，存儲能量最明顯的方法是使用電池。

鉛酸電池已經使用了幾十年，但重量重，能量密度相對較低，充電過程緩慢，只能充電約300-600次。

與鉛酸電池相比，鋰電池有幾個優點。 例如，它們不僅比鉛酸電池更輕、更小，而且充電速度更快，可以達到數千個充電週期。 這使得它們非常適合在移動設備和電動汽車中使用。

但他們需要的材料的可用性有限，而且其中一些材料是在有問題的條件下獲得的。 每千瓦時的容量，典型的電動汽車電池不僅需要 120 - 180 克鋰，還需要一些其他可用量有限的材料。 根據德國汽車俱樂部ADAC的研究，一輛汽車的50kWh電池含有約4公斤鋰、11公斤錳、12公斤鈷、12公斤鎳和33公斤石墨。

為了將機動性從內燃機轉向電動驅動，未來將需要數十萬噸這些材料。 回收這種材料的方法很複雜，據專家稱，部分方法仍處於開發或測試階段。 因此，人們正在尋找替代方案，不僅在電池技術方面，而且在電能存儲方式方面。

您可能聽說過基於鋁-硫、鈉離子、碳-銅或鐵-氧的電池。 目前尚未面向大眾市場推出，這些是使用大量可用材料的選擇，而且開採問題也較少。

對於非移動應用，電池的尺寸和重量也不是那麼重要。 在風力渦輪機塔的底部，即使是較大的電池也有足夠的空間。 當電網能量過剩時，渦輪機產生的能量可以儲存在那裡，並在能量短缺時饋入電網。 通常，能源只需在電網中臨時存儲 12 至 24 小時。

但每種電池技術都有不同的電壓，如果有人想要設計與應用中使用的不同電池技術和電池數量兼容的面向未來的系統，這是一個真正的挑戰。 因此，P-Duke 等電源製造商提供輸入電壓範圍為 2:1 至 12:1 的轉換器。 通過這些轉換器，可以涵蓋許多不同的電池技術。

超級電容器是電池的一種有趣的替代品，因為它們具有更長的使用壽命、高達 100 萬次的充電週期和非常高的充電電流。 與電池不同，超級電容器不會因深度放電而損壞。 它們非常適合電力需求少於 1-2 分鐘但充電週期次數非常多的應用。 為什麼不在倉庫中的運輸機器人上使用超級電容器，因為它只能短距離行駛，然後可以在幾秒鐘內充電。 與電池不同，超級電容器的輸出電壓很大程度上取決於充電狀態。 由於大多數電子負載需要穩定的電壓，因此需要具有非常寬輸入範圍的DC/DC轉換器。

還有許多其他方式來儲存能量。 通過電解可以從空氣中獲得氫氣。 在進一步的工藝步驟中，可以生產天然氣的主要成分甲烷。 這兩種氣體都可以儲存、運輸和用作燃料，例如在燃料電池中，這是另一種新興技術。 如今，甚至無人機也在使用燃料電池。

存儲機械能供以後使用的其他方法是氣壓和飛輪存儲裝置。 15 多年前，美國的一家初創公司希望將壓縮空氣用於風力渦輪機，但由於解決方案過於復雜且效率低下而從未實現。 但仍有一些項目致力於將風力渦輪機產生的多餘能量儲存在壓縮空氣中。

1950年，第一批陀螺巴士上市，能夠回收制動能量，但每4-6公里需要一個充電站，不適合現代公共交通。 如今，飛輪存儲設備主要用於短時間提供高功率，例如穩定電網。

這些只是幾個例子； 能源市場很複雜，有數千種選擇，幾乎每天都會出現新的想法和技術，每種想法和技術都對所需的電源提出了不同的要求。 此外，為了實現節能、廣泛使用，現代系統必須相互通信。 所有這些系統都需要從各種來源產生穩壓電源電壓。

交流電網電壓水平和瞬態規範已設定多年，P-DUKE 等公司提供各種滿足各種要求的交流/直流電源解決方案（圖 4，P-DUKE 的交流/直流解決方案）

對於直流電源來說，情況更加複雜，因為新系統預計將進入市場。 但今天已有解決方案。 在電信和鐵路市場，不同的電池電壓已經使用了幾十年。 這些市場中的系統製造商希望提供一種解決方案，因此 P-DUKE 等電源製造商設計的轉換器系列甚至涵蓋鐵路應用中 16V 至 160V 的極寬輸入範圍，並實現高達 200W 的功率水平。 這些轉換器的標準輸出電壓範圍為 5V 至 53V，可用於所有類型的能源市場應用中的多種不同電池電壓。

https://www.pduke.com/product_sort2.htm

LAN、WLAN、GSM 和其他通信模塊、安全和監控設備、顯示器、觸摸面板或繼電器，它們都需要穩壓電源電壓，無論是否與內部控制電路隔離。 憑藉廣泛的轉換器，設計人員應該可以輕鬆找到即用型解決方案。 （圖6）

所有這些轉換器模塊都易於部署，因此不僅在設計階段而且在系統輸入、輸出或電源規格稍後發生變化時都可以提供即插即用的解決方案。 這使得每一個設計都面向未來，並為新興市場做好準備，該市場擁有許多新機遇，但也存在許多未知數。