電動汽車快充：是“續(xù)航里程焦慮”的解藥嗎？

今年3月份以來，隨著俄烏正式開戰(zhàn)，國際燃油價格一路高漲，屢創(chuàng)新高。受此影響，原本市場行情就不錯的新能源汽車更加受到消費者的關(guān)注。實際上，電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的出現(xiàn)主要是出于環(huán)保的考慮。然而，出人意料的是，因地區(qū)沖突引發(fā)的大規(guī)模地區(qū)能源危機，竟然也能成為影響新能源汽車行業(yè)發(fā)展的誘因。

因此，專家們預測，在未來十年中，電動汽車的市場表現(xiàn)將更加突出，甚至當前討論的話題不再是電動汽車是否會最終接管汽車行業(yè)，而是何時實現(xiàn)。根據(jù)Wallbox公司的調(diào)查數(shù)據(jù)，幾乎所有的受訪者都認為，到2030-2040年，電動汽車將占據(jù)汽車市場的主導地位。

買車，為什么不首選電動汽車？

從環(huán)保和智能化角度考慮，電動汽車應(yīng)該是買車的首選。不過，實際情況并非如此。因為人們普遍認為：首先電動汽車在價格上沒有太大的競爭優(yōu)勢；其次是普遍采用的交流樁存在著數(shù)量不足、充電時間過長等問題，充電過程耗時費力，而續(xù)航里程卻沒有達到普遍的預期。

圖1：從家用插座到超高功率充電樁的充電時間對比

（圖源：Infineon）

隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)、快速充電樁的開發(fā)以及高功率密度電池的使用，這種情況都將成為過去。新材料和新技術(shù)的采用使得電動汽車電池的容量和功率密度得到了進一步提升，如今的鋰離子電池的容量相當于同等大小鉛蓄電池的7倍。另據(jù)Grand View Research的預測，全球電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施市場規(guī)模在2020年為150億美元，預計從2021到2028年，其復合年增長率將達到33.4%。其中，電動汽車充電設(shè)備在商業(yè)場所的市場滲透率明顯高于住宅場所。隨著電動汽車的普及，有利于能源優(yōu)化的快速充電樁乃至智能充電站的數(shù)量也將大幅增加。

不斷進化的快速充電解決方案

快速、經(jīng)濟、安全和可靠是電動汽車充電解決方案必須兼顧的重要考量。在設(shè)計電動汽車直流充電樁時，常常要滿足這些條件：增大輸出功率，縮短充電時間；提高充電站設(shè)定尺寸內(nèi)的功率密度；通過增大負荷并降低功耗來提高效率；降低每瓦電能的設(shè)計成本。因此，設(shè)計工程師必須克服如下技術(shù)挑戰(zhàn)：

一是功耗和散熱問題。真正的快充應(yīng)允許電池以高達350kW的功率進行充電。以此來計算，97%的效率就意味著有9kW的功率損耗。在指定的高功率水平下向電動汽車供電，就會產(chǎn)生大量損耗和高溫，因此可能會造成器件的損壞。

二是電池尺寸和充電電流之間的配比平衡問題。英飛凌有過一個測算，在給汽車電池充電時，以寶馬i3汽車為例，自2016年以來，它的電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah電池連續(xù)充電，理論上需要一個小時才能充滿。在目前400V的正常電壓下，要在一小時內(nèi)為100Ah的電池充電，大約需要40kW的充電功率。這還只是大約200公里續(xù)航范圍內(nèi)所需的電量，不能算是真正的快充。如果要進一步縮短充電時間，必須要增大充電電流，涉及充電樁任一參數(shù)的修改都需要多方面的權(quán)衡。

三是高功率輸出的安全問題。綜合充電標準（CCS）允許輸出電壓高于500V，因此只有訓練有素的專業(yè)人員才能進行操作，并且對統(tǒng)一的充電插頭有很高的材料和技術(shù)要求。

面對這些難題，半導體技術(shù)是使電動汽車快速充電達到更方便、更經(jīng)濟、更可持續(xù)的關(guān)鍵。

01 TI電動汽車充電樁的電源拓撲

隨著電動汽車數(shù)量的增加，人們越來越需要在世界各地建立更節(jié)能的充電基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。現(xiàn)實的情況是：新型電動汽車的續(xù)航里程和電池容量均高于前代車型，因此急需開發(fā)新型快速直流充電解決方案，以滿足快速充電的需求。TI公司提供的參考設(shè)計重點在設(shè)計電源模塊時的拓撲考慮，這些智能且高效的電源模塊可作為快速直流充電樁設(shè)計的組成部分。

圖2為直流充電樁的典型框圖。考慮到將轉(zhuǎn)換器堆放在車內(nèi)會使車輛變得笨重，因此，這些堆疊式變流器常被放置在車輛外部，成為電動汽車充電樁的組成部分。充電樁通過車載充電器與車輛蓄電池直接連接。直流充電樁是一個L3充電器，可滿足120至240kW范圍內(nèi)的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內(nèi)將電池充電至80%的荷電狀態(tài)（SoC）。為了實現(xiàn)這種高功率水平，TI使用了可堆疊的模塊化電源轉(zhuǎn)換器。

圖2：直流充電樁的典型框圖

（圖源：TI）

如圖2所示，直流充電樁中的電源模塊由集成在充電樁中的AC/DC電源級和DC/DC電源級組成。每個轉(zhuǎn)換器與其功率級相關(guān)，功率級由功率開關(guān)和門驅(qū)動器、電流和電壓傳感以及控制器組成。圖3為從TI的電動汽車充電站電源模塊網(wǎng)頁上獲取的電動汽車充電樁電源模塊的系統(tǒng)級框圖。在輸入端，它有三相交流電源，連接到AC/DC功率級。該模塊將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為約800 V的固定直流電壓，該電壓用作DC/DC功率級的輸入。此外，驅(qū)動功率級MOSFET的柵極驅(qū)動器也是功率級的一部分。每個功率級都有一個單獨的控制器，負責處理模擬信號并提供快速控制動作。除此之外，還有不同的溫度傳感模塊、CAN、以太網(wǎng)和RS-485接口，以及為輔助電路供電的隔離和非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，如冷卻散熱器的風扇、隔離放大器等。

圖3：電動汽車充電樁電源模塊的系統(tǒng)級框圖

（圖源：TI）

前文已經(jīng)提到，直流充電樁需要大功率轉(zhuǎn)換器，以便在30分鐘內(nèi)充電到80%的荷電狀態(tài)。這些快速充電應(yīng)用需要模塊化電源轉(zhuǎn)換器，可以并聯(lián)以滿足不同的功率水平，從而實現(xiàn)快速充電。能量密度和系統(tǒng)效率是快速充電樁最重要的參數(shù)。如果我們能在同樣尺寸的情況下將功率輸出增加一倍，這將大大節(jié)約成本，并有助于快速充電。

對于給定的應(yīng)用，更高的系統(tǒng)效率意味著更低的損耗和更小的散熱器解決方案。TI的參考設(shè)計在這個方面給予了充分考慮。AC/DC階段（也稱為PFC階段）是電動汽車充電站的第一級功率轉(zhuǎn)換，它將來自電網(wǎng)的輸入交流電源（380–415VAC）轉(zhuǎn)換為800V左右的穩(wěn)定直流鏈路電壓。PFC級對于維持正弦輸入電流非常重要，通常THD<5%。憑借簡單的電路拓撲、簡單的調(diào)制和控制方案，實現(xiàn)了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC級是電動汽車充電站的第二級功率轉(zhuǎn)換。它將輸入的800V直流鏈路電壓（如果是三相系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，為電動汽車的蓄電池充電。DC/DC轉(zhuǎn)換器必須能夠在大范圍內(nèi)為電池提供額定功率，并能夠在恒定電流和恒定電壓模式下為電池充電，具體取決于電池的荷電狀態(tài)（SoC）。

TI的方案是通過在高開關(guān)頻率下操作轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的，這樣可以減小磁性元件的尺寸，從而有助于實現(xiàn)高功率密度。其中涉及的產(chǎn)品和技術(shù)包括：嵌入式處理技術(shù)，比如C2000實時微控制器，以及隔離柵極驅(qū)動器和完全集成的氮化鎵（GaN）電源設(shè)備等。GaN技術(shù)能夠在多電平功率拓撲中以更高的開關(guān)頻率工作，因此能夠比傳統(tǒng)的硅基材料更快、更高效地充電。這意味著工程師可以在電力系統(tǒng)中設(shè)計更小的磁鐵，從而降低使用銅和其他原材料的組件的成本。此外，多級拓撲可以更高效，從而降低散熱或冷卻所需的功率。所有這些都有助于降低電動汽車車主的總體擁有成本。

02 英飛凌超快速直流充電系統(tǒng)

如果能量轉(zhuǎn)換效率達到99%甚至以上的話，降溫就變得相對簡單。英飛凌認為現(xiàn)代化的功率芯片是其中的關(guān)鍵。這些芯片現(xiàn)在具備了幾年前無法想象的效率水平。英飛凌開發(fā)的高效能碳化硅（SiC）模塊，已經(jīng)在太陽能這個對高效能要求同樣嚴苛的行業(yè)占據(jù)了一席之地?，F(xiàn)在，英飛凌又將這些高效電路應(yīng)用到了電動汽車領(lǐng)域。高功率充電系統(tǒng)的目標是縮短充電時間，以使電動汽車達到能夠與燃油車相提并論的程度。借助高達350kW的大功率直流充電系統(tǒng)，續(xù)航200公里需要充電大約7分鐘，這種高效、快速且易用的充電方式將有助于消除人們的“續(xù)航里程焦慮”。采用英飛凌技術(shù)的充電樁可將充電時間從原本的三小時縮短到了幾分鐘。

對于50kW至350kW的直流電動汽車充電器而言，這種功率類別采用的常見策略是使用功率模塊而非分立器件?；贗GBT的解決方案采用EconoPACK和EconoDUAL，適用于Vienna整流器和AFE以及交流-直流轉(zhuǎn)換，通常在約20 kHz 下運行。CoolSiC Easy模塊可使交流-直流轉(zhuǎn)換器級在約40kHz至50kHz下運行。CoolSiC也是直流-直流級的首選器件，可提高開關(guān)頻率，從而減小整體系統(tǒng)尺寸并實現(xiàn)更高效率。

其中，英飛凌EconoDUAL3系列產(chǎn)品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級，以及從100A到900A的完整電流范圍。該模塊通過與最新一代TRENCHSTOP IGBT7技術(shù)相結(jié)合，使得該1200V產(chǎn)品系列的額定電流值從600A擴展到高達900A。模塊的對稱設(shè)計使得并聯(lián)運行時IGBT半橋之間的均流得到優(yōu)化。

圖4：采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3

（圖源：Infineon）

對于使用CoolSiC MOSFET的轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)頻率增加可導致磁性組件體積和重量顯著減少，最多可減少25%，大大降低了應(yīng)用成本。經(jīng)過優(yōu)化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在達到最低應(yīng)用損耗和最高運行可靠性方面表現(xiàn)出色。這款碳化硅MOSFET采用TO247 4引腳封裝，可降低柵極電路的寄生源電感影響，從而實現(xiàn)更快速的開關(guān)并提升效率。

四大創(chuàng)新技術(shù)，讓電動汽車充電更給力

快速充電、聯(lián)網(wǎng)汽車和智能充電是近年來加速電動汽車在世界各地普及的幾項關(guān)鍵技術(shù)。接下來，還有哪些重大創(chuàng)新技術(shù)將進一步推動電動汽車市場的發(fā)展呢？仔細分析之后，我們認為下面這些技術(shù)將對電動汽車的大規(guī)模采用產(chǎn)生較大影響，并將在未來幾年重塑電動汽車市場。

雙向充電技術(shù)

汽車技術(shù)的最新趨勢是車到電網(wǎng)（V2G）的概念，它允許能量從電池流向電網(wǎng)，以在車輛停放或不使用時保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。這也是時下行業(yè)熱門的雙向充電（Bidirectional charging）技術(shù)。

與傳統(tǒng)的單向充電器相比，雙向充電是汽車充電技術(shù)的重大突破。過去，由于成本高、體積過大，這項技術(shù)僅用于具體的試點項目。經(jīng)過一系列的技術(shù)改進，現(xiàn)在的雙向充電器變得更便宜、更小、更高效。借助雙向充電技術(shù)，電動汽車的電池將轉(zhuǎn)化成為一個儲能點，對電動汽車駕駛員乃至公用事業(yè)公司都有好處。事實上，電動汽車最終可能成為脫碳電網(wǎng)的關(guān)鍵部件。在Wallbox公司所作的電動汽車影響力調(diào)查中，75%的受訪者表示認可這項技術(shù)的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在看來，雙向充電仍處在起步階段，隨著技術(shù)的進步，它的潛力會越來越大。

改進的電池技術(shù)

電池技術(shù)在過去十年中有了顯著改善，價格也大幅下調(diào)，2010年到2018年期間，鋰離子電池價格下降了約85%。不過，電池技術(shù)仍需進一步改進，其目標是為更便宜的電動汽車車型配備更優(yōu)的續(xù)航里程。這其中，電池效率與成本比是關(guān)鍵。

現(xiàn)在，大多數(shù)電動汽車使用的都是鋰離子電池。更高能量密度、更安全、更低成本的電池更能消除人們對電動汽車的里程焦慮。在此過程中，能夠有效延長壽命和續(xù)航里程的固態(tài)電池開始進入電動汽車市場。與鋰離子電池的6年壽命相比，固態(tài)電池的平均壽命約在10年以上。隨著氫燃料電池的加入，最終哪種電池將在應(yīng)用中脫穎而出目前還無法做出判斷，不過，只要它能帶來更大的容量、更大的續(xù)航里程和更低的價格，電動汽車行業(yè)都會受益于此，并進一步提高所占市場份額。

智能充電技術(shù)

智能充電背后的理念很簡單，它定義的所有方面都歸結(jié)為能源消耗。智能充電的最終目標是在為電動汽車充電的同時優(yōu)化能源使用。為了實現(xiàn)這一目標，與傳統(tǒng)（或非智能）充電器不同，智能充電需要與電動汽車本身、充電站和能源供應(yīng)商進行數(shù)字通信以及數(shù)據(jù)交換，正是這種工作和收費方式贏得了“智能”稱號。智能充電的總體效果就是以一種更便宜、更節(jié)能、可持續(xù)的方式為電動汽車“加滿油”，同時有助于延長電池的使用壽命。

汽車制造技術(shù)

改進的電池技術(shù)是增加電動汽車需求的關(guān)鍵一步，電動汽車的制造技術(shù)同樣是讓大眾愿意選擇電動汽車的重要一環(huán)。簡而言之，規(guī)模經(jīng)濟、漸進式改進和生產(chǎn)技術(shù)的重大創(chuàng)新對于汽車行業(yè)跟上電動汽車快速增長的需求至關(guān)重要。

特斯拉等公司已經(jīng)證明，電動汽車可以在未來幾十年逐步取代傳統(tǒng)的化石燃料驅(qū)動汽車。得益于創(chuàng)新技術(shù)，電動汽車正在接管汽車行業(yè)，改進的電池技術(shù)將使電動汽車比汽油車更便宜、更具吸引力。

根據(jù)國際能源署（IEA）的報告，2021年第一季度電動汽車（EV）銷量同比增加約140%。隨著各國政府致力于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，汽車行業(yè)計劃到2025年投資超過3300億美元，以推進汽車電氣化，向電動汽車的轉(zhuǎn)型似乎不可避免。