技术干货｜三种实时控制方式促进城市可持续发展

从电动汽车充电站到太阳能解决方案，通过实时控制等先进技术，城市正在变得更加高效。

去年，一项探讨已久的议题在上海付诸实践：电动汽车 (EV) 是否可以成为城市电网的一种灵活能源？

电动汽车驾驶员从公用事业公司获得充电时间信号，从而在可再生能源最充足时加以利用，并充分利用资源，避免浪费。EV 电池成为车轮上的能源存储容器，能够在能源需求超出供给时，将多余的电量释放到主电网中。

这一创新的试点项目显示，日常生活中使用的家用充电器、公共充电器和电池交换站等不同类型的充电器，均可在支持城市电网的过程中发挥不同作用。作为中国新基建计划的一部分，新能源车辆充电站的扩张现已成为实现现代化和环境保护长远目标的关键部分。

全球范围内的其他城市也在节能减排上迅速展开行动。技术是帮助他们履行节能减排承诺的关键所在，因为技术能够在解决能源效率的相关挑战时提供更出色的功率密度。

可通过更加高效、功能更强大的系统，重点增强系统的实时控制能力（即时处理可在万亿分之一秒内收集数据并更新闭环系统），从而显著降低排放。实时控制是在能源管理领域开启下一波创新浪潮的关键因素。

Matt Watson，C2000™ 微控制器经理

作为 TI C2000™ 微控制器 (MCUs) 的经理，Matt Watson 发现人们想用更少的能源实现更多功能，同时他们对实时控制的需求在不断增长。展望未来，他认为实时控制会在以下方面对交通和能源使用造成显著影响：

提高 EV 的里程和性能。

升级和增强 EV 充电基础设施。

通过太阳能解决方案对能源存储方式进行革新。

尽管实时控制并不是一项新技术，TI 在大约二十年前就推出了专用控制器，推动了数字信号处理领域的创新，但是近年来，由于这些元件在智能自动化系统中的广泛使用，全球 MCU 市场出现了显著增长。实时控制系统是闭环控制系统，收集数据、处理数据和更新系统的时间窗口极短。这种控制对于电源转换和高级电机控制应用非常重要，例如工厂中机器人的移动。

对于能够转动电机和转换电源的产品，设计工程师们面临着越来越多提高效率、精度和产品尺寸的要求。实现实时控制最大化和最优化，需要在系统中使用特别的嵌入式器件，这种器件可以显著缩短延迟、实现低功耗和成本效益。如果工程师尝试使用非实时控制器件而非针对控制应用专门设计的单一微控制器，就可能会在无意间延长设计时间。

如果我们对城市中的某些能源敏感领域应用实时控制技术（例如增加 EV 和利用太阳能），就可以看到它们对能源存储和管理的产生深远影响的潜力。

EV 中几乎每个子系统都依赖于某种形式的实时控制。大量激动人心的创新使得汽车变得更加高效，并提升了驾驶乐趣，同时还可应对里程焦虑、充电时间和阻碍 EV 普及的其他障碍。

全新的电源技术（例如氮化镓 (GaN)）有可通过提高功率密度和效率、增加行驶里程并改善可靠性来应对上述挑战的潜力。但要释放 GaN 的潜力，就需要使用实时控制器，它能够将高开关频率与可配置控制相结合，从而更大程度减少功率损耗和噪声。微控制器可帮助 GaN 实现超高的功效和功率密度。

实时控制的进一步发展可提升处理能力并增强感应和驱动性能，这样可实现更高的精度和效率，并通过提高系统集成度使汽车更加经济实惠。

EV 的发展势头强劲，是因为汽车制造商们投资并大规模生产使用更清洁的能源的汽车。城市可能需要加大投资高性能充电基础设施，以满足更多电动汽车的充电需求。

这些充电站所用的技术必须具有成本效益，还必须缩短充电时间。要提供快速充电体验并尽量减少功率损耗，实时控制至关重要，它同时还能减少对电网基础设施的限制，因为 EV 充电系统可将电网的交流电转变为 EV 电池充电所用的直流电。高充电效率还有助于驾驶员快速为电池充电，并更快地上路行驶。

上海进行的实验只是城市将可再生能源转变为灵活的电源资源的一种尝试。

光伏逆变器系统领域正在进行一场革命，利用电池的存储容量，使得在没有阳光的情况下也能提供能源。这些系统结合了实时控制的几个关键支柱：从太阳能板向电网传输，从电网向储能电池传输，以及从电池回传到电网。这里有三个节点需要进行电源转换，其中可能会产生电源损耗，因此在设计时需仔细斟酌。实时控制可提供最大化输出所需的精度，同时更大程度减少双向电源转换的功率损耗，从而实现系统中直流电和交流电的双向高效流动。

可再生能源需要受到实时控制。现在，减少碳排放的要求在全球范围内日益紧迫，而实时控制是使系统能效更高、让环境更加美好的核心关键。