四大技術(shù)爭奪EV充電樁主流標(biāo)準(zhǔn)

各國正重點(diǎn)推廣電動(dòng)車，車廠也紛紛公布了應(yīng)對(duì)的策略。隨著電動(dòng)車的普及，意味著汽車的動(dòng)力來源已從補(bǔ)充汽油的形式，傳換補(bǔ)充電力的形式，這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前，汽車電動(dòng)化（EV）在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展。不僅僅在歐洲，因?yàn)镃O2排放法規(guī)而直接推動(dòng)了電動(dòng)車的市場成長，各國政府也都重點(diǎn)推廣電動(dòng)車，例如在2030年后禁止銷售新的ICE汽車（內(nèi)燃機(jī)汽車），因此整車廠也紛紛公布了應(yīng)對(duì)政策。電動(dòng)車的普及意味著，汽車的動(dòng)力來源已從補(bǔ)充汽油的形式，轉(zhuǎn)換為補(bǔ)充電力的形式，這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前電動(dòng)車有三種充電方式：包括了「日常充電」，也就是晚上在家中充電；「目的地充電」，外出或造訪某個(gè)地方時(shí)充電；「中途充電」，意即在行駛的過程中，前往充電站充電，如在高速公路的服務(wù)區(qū)內(nèi)充電。日常充電和目的地充電，對(duì)于日常使用和短途旅行非常重要。而中途充電則是對(duì)于長途旅行非常重要。由于不可能在途中充電休息數(shù)小時(shí)，要像現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車一樣進(jìn)行快速汽油補(bǔ)充，因此關(guān)鍵是要有充電時(shí)間特別短的直流快速充電設(shè)施（圖1）。

 

圖1 : 充電設(shè)施和充電場所、充電器輸出。（source：JEITA）

全球電動(dòng)車充電站的設(shè)置與成長趨勢
在許多歐洲國家，已通過法律強(qiáng)制要求在住宅和商業(yè)場所必須安裝電動(dòng)汽車充電設(shè)施，多數(shù)區(qū)域已經(jīng)設(shè)置可提供日常充電和目的地充電所需的充電站，因此在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行短途旅行，也都無需擔(dān)心電力的問題。
而在路線充電方面，歐盟委員會(huì)已發(fā)布政策，要求到2030年，在歐洲主要干道的60公里范圍內(nèi)，必須安裝一個(gè)輸出功率為150千瓦或以上的直流充電站。其他包括中國和美國等地區(qū)，也正制定鼓勵(lì)廣泛安裝充電站的政策和法規(guī)。
如今電動(dòng)車正在全球加速普及，因此普及充電站勢在必行，根據(jù)研究公司富士經(jīng)濟(jì)的預(yù)測（圖2），全球直流充電樁的數(shù)量，在2035年預(yù)計(jì)超過210萬座，與2020年相比，呈現(xiàn)5倍以上的高速成長。

 
圖2 : 歐、美、中、日等，主要國家快速充電樁普及現(xiàn)狀。（source：富士經(jīng)濟(jì))

另一方面，除了中國之外，高速充電設(shè)施在亞洲區(qū)域的設(shè)置數(shù)量還是相對(duì)的較少。這是因?yàn)椴粌H僅是「日常充電」部分，在現(xiàn)有住宅區(qū)或大樓設(shè)置充電器存在著高度的困難，在「目的地充電」和「路線充電」的部分，則是面臨著確保盈利的挑戰(zhàn)。
這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的爭論，因?yàn)楝F(xiàn)階段電動(dòng)車普及率不高，所以充電站的需求不大，而且由于充電站設(shè)置不普遍下，充電就變成為一個(gè)困擾，也就造成電動(dòng)車更難普及。因此，亞洲各國政府為了克服這種情況，紛紛規(guī)劃了各種相對(duì)應(yīng)的方案，例如，日本政府祭出了補(bǔ)助安裝充電設(shè)備所需的費(fèi)用（設(shè)備和建筑）等措施。
充電站的普及是提高電動(dòng)車比例所迫切需求的要點(diǎn)之一。盡管電動(dòng)車充電站在技術(shù)上已經(jīng)成熟，但是否能獲利仍然是其普及的挑戰(zhàn)。雖然所有汽油車都在加油站加油，但就電動(dòng)車而言，基本上充電大多是在家中完成的，這使得「目的地充電」和「路線充電」的公共充電站的利用率低于目前的加油站。
因此在這樣低利用率的情況下，更需要一個(gè)系統(tǒng)來確保利潤。以歐洲為例，多家車廠已經(jīng)和能源供貨商組成聯(lián)盟來建立大規(guī)模充電業(yè)務(wù)，透過統(tǒng)一充電平臺(tái)，以及在各汽車經(jīng)銷點(diǎn)設(shè)置充電站，從而促進(jìn)電動(dòng)車充電站的普及。

充電時(shí)間過長導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜
充電基礎(chǔ)設(shè)施如此復(fù)雜的最大原因是充電（能源供應(yīng)）所需的時(shí)間較長，因?yàn)殡妱?dòng)車的充電器有兩種不同類型。雖然內(nèi)燃車的燃料有汽油和柴油不同，但在加油時(shí)，無論是哪種燃料最多5分鐘左右即可完成。但是充電器的充電時(shí)間的計(jì)量單位則多是以小時(shí)而不是分鐘來衡量的。
充電器大致可分為「普通充電器」和「快速充電器」。普通充電器價(jià)格相對(duì)較低，通常放置在獨(dú)戶住宅或商業(yè)場所的停車位上。首先，使用者需要安裝專用的200V交流電源插座或普通充電器，充電時(shí)，需將200V交流電（從專用插座或普通充電器輸出）輸入到電動(dòng)車中，并透過電動(dòng)車內(nèi)的充電器（車載充電器），將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并對(duì)電池（鋰離子二次電池）充電。這時(shí)用戶需要安裝專用的200V交流電源插座或普通充電器。
專用電源插座和普通充電器的平均輸出電壓為AC 200V和15A電流，因此充電需要相當(dāng)長的時(shí)間。例如，日產(chǎn)LEAF電動(dòng)車早期型號(hào)的電池容量為30kW時(shí)，從最低電池電量(當(dāng)警告燈亮起時(shí))，充滿電需要10多個(gè)小時(shí)。而目前最新款的車型，則是使用40kW電池，使用同樣的充電器下，充電時(shí)間更需要長達(dá)13個(gè)小時(shí)。2022年6月所推出的微型車標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車Sakura，雖然使用的電池容量變小，僅有20 kW，但是充電時(shí)間還是需要8小時(shí)左右。這與內(nèi)燃車相比，補(bǔ)充能源的時(shí)間實(shí)在相當(dāng)長。
而「快速充電器」的輸出電壓高達(dá)400V至500V DC，最大電流為60A。假設(shè)從最低值（警告燈亮起時(shí)），充電到80%電量只需30分鐘左右。這與普通充電器的主要區(qū)別在于，「快速充電器」有內(nèi)建變壓電路，可以在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的同時(shí)升壓，并在監(jiān)控車輛充電量的同時(shí)控制輸出電流，使得充電開始時(shí)，就可以輸出最大電流輛，當(dāng)電荷量達(dá)到一定水平時(shí)，輸出電流則會(huì)自動(dòng)降低。

充電方式、電池電壓與市場趨勢
在這些充電方式中，決定電動(dòng)車普及的就是「傳導(dǎo)式快速充電器」，也就是所謂的「快速充電器」。大多是應(yīng)用于中途充電基礎(chǔ)設(shè)施中。目前，這種充電器目標(biāo)是在大約30分鐘內(nèi)，將電動(dòng)車電池充電至最大容量的80%。不過市場最大的期待值是將充電時(shí)間縮短到5分鐘左右。
圖3顯示了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的各種直流充電方法，和電池電壓的市場趨勢?？s短充電時(shí)間對(duì)于快速擴(kuò)大電動(dòng)車市場比例至關(guān)重要，目前正在朝向支持更高功率和電壓的充電方法。此外，透過模塊化內(nèi)部電源單元并根據(jù)負(fù)載分配電力，可以同時(shí)為多輛電動(dòng)車充電，進(jìn)而有望解決充電時(shí)擁堵的現(xiàn)象。

 
圖3 : DC充電方式和EV驅(qū)動(dòng)用電池電壓的市場技術(shù)趨勢。（source：ReVision Auto & Mobility）

目前，快速充電器主要有四種標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。包括由日本汽車業(yè)者所制定的CHAdeMO (CHArge de MOve)；中國的GB(Guojia Biaozhun;國家標(biāo)準(zhǔn))/T 27930 (大多被簡稱 GB/T)；美國和歐洲的CCS (Combined Charging System)；以及最大的電動(dòng)車業(yè)者-特斯拉所專有的SC (Supercharger)標(biāo)準(zhǔn)。
到2020年底，CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)的全球普及率預(yù)計(jì)為36,000個(gè)，GB/T為300,000個(gè)，CCS為13,000個(gè)，SC 標(biāo)準(zhǔn)為25,000個(gè)，其中絕大多數(shù)的GB/T充電器都是在中國。
為了實(shí)現(xiàn)未來快速充電器的標(biāo)準(zhǔn)化，日本CHAdeMO 標(biāo)準(zhǔn)制定組織-CHAdeMO 理事會(huì)，正在與中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)合作，共同制定下一代快速充電器的充電標(biāo)準(zhǔn)。在2018年8月22日，雙方宣布將聯(lián)合制定下一代快速充電器的充電標(biāo)準(zhǔn)。隨后在2020年4月發(fā)布CHAdeMO的3.0版，作為日中聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)「ChaoJi」連接器規(guī)格的設(shè)計(jì)要求。
預(yù)計(jì)新一代的「ChaoJi」將提供與CHAdeMO、GB/T、CCS和SC等標(biāo)準(zhǔn)回朔兼容的能力。最主要特點(diǎn)是能支持900 kW(1500V X 600A)的高輸出功率，可為一輛大型卡車電動(dòng)車，和多輛普通車型電動(dòng)車，同時(shí)進(jìn)行快速充電。未來更進(jìn)一步的更可為船舶、土木工程施工設(shè)備、載客無人機(jī)、小型摩托車、電動(dòng)踏板車和電動(dòng)自行車等提供充電的能力。

 
圖4 : 主要快速充電規(guī)格的概要。（source：日本CHAdeMO協(xié)議會(huì)）

充電設(shè)備功能的轉(zhuǎn)變與零組件趨勢
此外，隨著電動(dòng)車的普及，還出現(xiàn)了將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電池中的電能，作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施加以利用的趨勢，作為利用再生能源和應(yīng)對(duì)災(zāi)害的措施，例如許多地區(qū)正在引進(jìn)和展示，以地區(qū)為單位來構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)。
其中，電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電池可用于再生能源高峰轉(zhuǎn)移，以及災(zāi)害期間作為備用電源（蓄電池）。在這種情況下，電動(dòng)車充電設(shè)備就必須是能同時(shí)支持充電和放電的雙向型。因此預(yù)計(jì)電動(dòng)車和雙向充電站的普及，將有助于實(shí)現(xiàn)利用再生能源的永續(xù)社會(huì)。
表一顯示了直流充電站中使用的半導(dǎo)體的趨勢。如上所述，功率半導(dǎo)體需要兼容于高功率和高電壓，并且具有較低的損耗。因此對(duì)于微控制器和電源管理IC來說，希望具有安全性和保護(hù)功能、高安全性、FOTA(韌體無線更新)以及可整合的外圍功能以減少BOM，而閘極驅(qū)動(dòng)IC還能夠兼容于高電壓和低功耗半導(dǎo)體，以及整合高度微控制器、電源管理IC和其他周邊功能，來減少對(duì)象的使用數(shù)量。

表1：直流充電站所使用的半導(dǎo)體組件趨勢

接下來，相信觀察直流充電站中使用的半導(dǎo)體，將隨著直流充電系統(tǒng)功率越來越大，電壓越來越高，所使用的功率半導(dǎo)體的損耗也應(yīng)該越來越低。這是因?yàn)樵谛氏嗤那闆r下，輸出功率越高，損耗就越大(例如，輸出功率為50kW、效率為98%時(shí)，損耗為1kW；輸出功率為400kW、效率為98%時(shí)，損耗為8kW，這也就增加了冷卻難度)，因此更高的功率輸出需要更大的冷卻系統(tǒng)。
使用低損耗功率半導(dǎo)體可以使冷卻系統(tǒng)的成本更低，體積更小，進(jìn)而降低系統(tǒng)的成本和體積。因此近年來，市場對(duì)SiC MOSFET，和Si IGBT的期望也越來越高，期望透過更先進(jìn)的MOSFET來設(shè)計(jì)出，允許使用同步整流和更高的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)更便宜的冷卻系統(tǒng)和更小的被動(dòng)組件。

充電電源的改變與趨勢
近十年科技最大轉(zhuǎn)變之一，就是車輛將從加油站補(bǔ)充動(dòng)力來源轉(zhuǎn)變成充電站。在電動(dòng)車基礎(chǔ)設(shè)施的早期，AC充電器雖然便宜又方便，但充電速度卻是非常慢，只能提供22kW的最大功率。因此目前許多公共場所的充電據(jù)點(diǎn)正在更換為直流充電器，來提高周轉(zhuǎn)率。即使是較低功率的直流快速充電器50kW，充電速度也可比最好的交流電充電器快上一倍。
因此可預(yù)期的是直流充電器正在成為公共充電的標(biāo)準(zhǔn)，使得安裝數(shù)量將持續(xù)成長，反之，交流充電成長預(yù)計(jì)將會(huì)須放緩。雖然我們?nèi)匀豢吹浇涣鞒潆娫诩彝ブ械氖褂?，提供一或兩輛車進(jìn)行過夜充電，但這對(duì)于許多的公共區(qū)域充電點(diǎn)運(yùn)營商，或企業(yè)來說根本不可行。
無論如何，電動(dòng)車充電市場正在快速成長。也正促使充電組件相關(guān)產(chǎn)業(yè)，可以伴隨著電動(dòng)車充電的變而發(fā)展。盡管今天仍然看到非常多關(guān)于充電器連接或電池儲(chǔ)存的問題，但相信全球快速擴(kuò)充中的電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施，必定會(huì)強(qiáng)化電動(dòng)車的市場規(guī)模呈現(xiàn)更高速的成長。