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今年3月份以來(lái)，隨著(zhù)俄烏正式開(kāi)戰，國際燃油價(jià)格一路高漲，屢創(chuàng )新高。受此影響，原本市場(chǎng)行情就不錯的新能源汽車(chē)更加受到消費者的關(guān)注。實(shí)際上，電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）的出現主要是出于環(huán)保的考慮。然而，出人意料的是，因地區沖突引發(fā)的大規模地區能源危機，竟然也能成為影響新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的誘因。
因此，專(zhuān)家們預測，在未來(lái)十年中，電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)表現將更加突出，甚至當前討論的話(huà)題不再是電動(dòng)汽車(chē)是否會(huì )最終接管汽車(chē)行業(yè)，而是何時(shí)實(shí)現。根據Wallbox公司的調查數據，幾乎所有的受訪(fǎng)者都認為，到2030-2040年，電動(dòng)汽車(chē)將占據汽車(chē)市場(chǎng)的主導地位。
買(mǎi)車(chē)，為什么不首選電動(dòng)汽車(chē)？
從環(huán)保和智能化角度考慮，電動(dòng)汽車(chē)應該是買(mǎi)車(chē)的首選。不過(guò)，實(shí)際情況并非如此。因為人們普遍認為：首先電動(dòng)汽車(chē)在價(jià)格上沒(méi)有太大的競爭優(yōu)勢；其次是普遍采用的交流樁存在著(zhù)數量不足、充電時(shí)間過(guò)長(cháng)等問(wèn)題，充電過(guò)程耗時(shí)費力，而續航里程卻沒(méi)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(shí)間對比
（圖源：Infineon）
隨著(zhù)充電基礎設施的不斷建設、快速充電樁的開(kāi)發(fā)以及高功率密度電池的使用，這種情況都將成為過(guò)去。新材料和新技術(shù)的采用使得電動(dòng)汽車(chē)電池的容量和功率密度得到了進(jìn)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?yè)礼rand View Research的預測，全球電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施市場(chǎng)規模在2020年為150億美元，預計從2021到2028年，其復合年增長(cháng)率將達到33.4%。其中，電動(dòng)汽車(chē)充電設備在商業(yè)場(chǎng)所的市場(chǎng)滲透率明顯高于住宅場(chǎng)所。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)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量也將大幅增加。
不斷進(jìn)化的快速充電解決方案
快速、經(jīng)濟、安全和可靠是電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案必須兼顧的重要考量。在設計電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁時(shí)，常常要滿(mǎn)足這些條件：增大輸出功率，縮短充電時(shí)間；提高充電站設定尺寸內的功率密度；通過(guò)增大負荷并降低功耗來(lái)提高效率；降低每瓦電能的設計成本。因此，設計工程師必須克服如下技術(shù)挑戰：
一是功耗和散熱問(wèn)題。真正的快充應允許電池以高達350kW的功率進(jìn)行充電。以此來(lái)計算，97%的效率就意味著(zhù)有9kW的功率損耗。在指定的高功率水平下向電動(dòng)汽車(chē)供電，就會(huì )產(chǎn)生大量損耗和高溫，因此可能會(huì )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(wèn)題。英飛凌有過(guò)一個(gè)測算，在給汽車(chē)電池充電時(shí)，以寶馬i3汽車(chē)為例，自2016年以來(lái)，它的電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah電池連續充電，理論上需要一個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)。在目前400V的正常電壓下，要在一小時(shí)內為100Ah的電池充電，大約需要40kW的充電功率。這還只是大約200公里續航范圍內所需的電量，不能算是真正的快充。如果要進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，必須要增大充電電流，涉及充電樁任一參數的修改都需要多方面的權衡。
三是高功率輸出的安全問(wèn)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(zhuān)業(yè)人員才能進(jìn)行操作，并且對統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(dòng)汽車(chē)快速充電達到更方便、更經(jīng)濟、更可持續的關(guān)鍵。
01 TI電動(dòng)汽車(chē)充電樁的電源拓撲
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)數量的增加，人們越來(lái)越需要在世界各地建立更節能的充電基礎設施系統�，F實(shí)的情況是：新型電動(dòng)汽車(chē)的續航里程和電池容量均高于前代車(chē)型，因此急需開(kāi)發(fā)新型快速直流充電解決方案，以滿(mǎn)足快速充電的需求。TI公司提供的參考設計重點(diǎn)在設計電源模塊時(shí)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計的組成部分。
圖2為直流充電樁的典型框圖�？紤]到將轉換器堆放在車(chē)內會(huì )使車(chē)輛變得笨重，因此，這些堆疊式變流器常被放置在車(chē)輛外部，成為電動(dòng)汽車(chē)充電樁的組成部分。充電樁通過(guò)車(chē)載充電器與車(chē)輛蓄電池直接連接。直流充電樁是一個(gè)L3充電器，可滿(mǎn)足120至240kW范圍內的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內將電池充電至80%的荷電狀態(tài)（SoC）。為了實(shí)現這種高功率水平，TI使用了可堆疊的模塊化電源轉換器。
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(gè)轉換器與其功率級相關(guān)，功率級由功率開(kāi)關(guān)和門(mén)驅動(dòng)器、電流和電壓傳感以及控制器組成。圖3為從TI的電動(dòng)汽車(chē)充電站電源模塊網(wǎng)頁(yè)上獲取的電動(dòng)汽車(chē)充電樁電源模塊的系統級框圖。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，驅動(dòng)功率級MOSFET的柵極驅動(dòng)器也是功率級的一部分。每個(gè)功率級都有一個(gè)單獨的控制器，負責處理模擬信號并提供快速控制動(dòng)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轉換器，如冷卻散熱器的風(fēng)扇、隔離放大器等。
圖3：電動(dòng)汽車(chē)充電樁電源模塊的系統級框圖
（圖源：TI）
前文已經(jīng)提到，直流充電樁需要大功率轉換器，以便在30分鐘內充電到80%的荷電狀態(tài)。這些快速充電應用需要模塊化電源轉換器，可以并聯(lián)以滿(mǎn)足不同的功率水平，從而實(shí)現快速充電。能量密度和系統效率是快速充電樁最重要的參數。如果我們能在同樣尺寸的情況下將功率輸出增加一倍，這將大大節約成本，并有助于快速充電。
對于給定的應用，更高的系統效率意味著(zhù)更低的損耗和更小的散熱器解決方案。TI的參考設計在這個(gè)方面給予了充分考慮。AC/DC階段（也稱(chēng)為PFC階段）是電動(dòng)汽車(chē)充電站的第一級功率轉換，它將來(lái)自電網(wǎng)的輸入交流電源（380–415VAC）轉換為800V左右的穩定直流鏈路電壓。PFC級對于維持正弦輸入電流非常重要，通常THD<5%。憑借簡(jiǎn)單的電路拓撲、簡(jiǎn)單的調制和控制方案，實(shí)現了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC級是電動(dòng)汽車(chē)充電站的第二級功率轉換。它將輸入的800V直流鏈路電壓（如果是三相系統）轉換為較低的直流電壓，為電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池充電。DC/DC轉換器必須能夠在大范圍內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(guò)在高開(kāi)關(guān)頻率下操作轉換器來(lái)實(shí)現的，這樣可以減小磁性元件的尺寸，從而有助于實(shí)現高功率密度。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(shí)時(shí)微控制器，以及隔離柵極驅動(dòng)器和完全集成的氮化鎵（GaN）電源設備等。GaN技術(shù)能夠在多電平功率拓撲中以更高的開(kāi)關(guān)頻率工作，因此能夠比傳統的硅基材料更快、更高效地充電。這意味著(zhù)工程師可以在電力系統中設計更小的磁鐵，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(dòng)汽車(chē)車(chē)主的總體擁有成本。
02 英飛凌超快速直流充電系統
如果能量轉換效率達到99%甚至以上的話(huà)，降溫就變得相對簡(jiǎn)單。英飛凌認為現代化的功率芯片是其中的關(guān)鍵。這些芯片現在具備了幾年前無(wú)法想象的效率水平。英飛凌開(kāi)發(fā)的高效能碳化硅（SiC）模塊，已經(jīng)在太陽(yáng)能這個(gè)對高效能要求同樣嚴苛的行業(yè)占據了一席之地�，F在，英飛凌又將這些高效電路應用到了電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。高功率充電系統的目標是縮短充電時(shí)間，以使電動(dòng)汽車(chē)達到能夠與燃油車(chē)相提并論的程度。借助高達350kW的大功率直流充電系統，續航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“續航里程焦慮”。采用英飛凌技術(shù)的充電樁可將充電時(shí)間從原本的三小時(shí)縮短到了幾分鐘。
對于50kW至350kW的直流電動(dòng)汽車(chē)充電器而言，這種功率類(lèi)別采用的常見(jiàn)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-直流轉換，通常在約20 kHz 下運行。CoolSiC Easy模塊可使交流-直流轉換器級在約40kHz至50kHz下運行。CoolSiC也是直流-直流級的首選器件，可提高開(kāi)關(guān)頻率，從而減小整體系統尺寸并實(shí)現更高效率。
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(guò)與最新一代TRENCHSTOP IGBT7技術(shù)相結合，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(chēng)設計使得并聯(lián)運行時(shí)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的轉換器，其開(kāi)關(guān)頻率增加可導致磁性組件體積和重量顯著(zhù)減少，最多可減少25%，大大降低了應用成本。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在達到最低應用損耗和最高運行可靠性方面表現出色。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(shí)現更快速的開(kāi)關(guān)并提升效率。
四大創(chuàng )新技術(shù)，讓電動(dòng)汽車(chē)充電更給力
快速充電、聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)和智能充電是近年來(lái)加速電動(dòng)汽車(chē)在世界各地普及的幾項關(guān)鍵技術(shù)。接下來(lái)，還有哪些重大創(chuàng )新技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(dòng)汽車(chē)的大規模采用產(chǎn)生較大影響，并將在未來(lái)幾年重塑電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。
雙向充電技術(shù)
汽車(chē)技術(shù)的最新趨勢是車(chē)到電網(wǎng)（V2G）的概念，它允許能量從電池流向電網(wǎng)，以在車(chē)輛停放或不使用時(shí)保持電網(wǎng)的穩定性。這也是時(shí)下行業(yè)熱門(mén)的雙向充電（Bidirectional charging）技術(shù)。
與傳統的單向充電器相比，雙向充電是汽車(chē)充電技術(shù)的重大突破。過(guò)去，由于成本高、體積過(guò)大，這項技術(shù)僅用于具體的試點(diǎn)項目。經(jīng)過(guò)一系列的技術(shù)改進(jìn)，現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(dòng)汽車(chē)的電池將轉化成為一個(gè)儲能點(diǎn)，對電動(dòng)汽車(chē)駕駛員乃至公用事業(yè)公司都有好處。事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)影響力調查中，75%的受訪(fǎng)者表示認可這項技術(shù)的應用前景�，F在看來(lái)，雙向充電仍處在起步階段，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，它的潛力會(huì )越來(lái)越大。
改進(jìn)的電池技術(shù)
電池技術(shù)在過(guò)去十年中有了顯著(zhù)改善，價(jià)格也大幅下調，2010年到2018年期間，鋰離子電池價(jià)格下降了約85%。不過(guò)，電池技術(shù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，其目標是為更便宜的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型配備更優(yōu)的續航里程。這其中，電池效率與成本比是關(guān)鍵。
現在，大多數電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的里程焦慮。在此過(guò)程中，能夠有效延長(cháng)壽命和續航里程的固態(tài)電池開(kāi)始進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。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(zhù)氫燃料電池的加入，最終哪種電池將在應用中脫穎而出目前還無(wú)法做出判斷，不過(guò)，只要它能帶來(lái)更大的容量、更大的續航里程和更低的價(jià)格，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)都會(huì )受益于此，并進(jìn)一步提高所占市場(chǎng)份額。
智能充電技術(shù)
智能充電背后的理念很簡(jiǎn)單，它定義的所有方面都歸結為能源消耗。智能充電的最終目標是在為電動(dòng)汽車(chē)充電的同時(shí)優(yōu)化能源使用。為了實(shí)現這一目標，與傳統（或非智能）充電器不同，智能充電需要與電動(dòng)汽車(chē)本身、充電站和能源供應商進(jìn)行數字通信以及數據交換，正是這種工作和收費方式贏(yíng)得了“智能”稱(chēng)號。智能充電的總體效果就是以一種更便宜、更節能、可持續的方式為電動(dòng)汽車(chē)“加滿(mǎn)油”，同時(shí)有助于延長(cháng)電池的使用壽命。
汽車(chē)制造技術(shù)
改進(jìn)的電池技術(shù)是增加電動(dòng)汽車(chē)需求的關(guān)鍵一步，電動(dòng)汽車(chē)的制造技術(shù)同樣是讓大眾愿意選擇電動(dòng)汽車(chē)的重要一環(huán)。簡(jiǎn)而言之，規模經(jīng)濟、漸進(jìn)式改進(jìn)和生產(chǎn)技術(shù)的重大創(chuàng )新對于汽車(chē)行業(yè)跟上電動(dòng)汽車(chē)快速增長(cháng)的需求至關(guān)重要。
特斯拉等公司已經(jīng)證明，電動(dòng)汽車(chē)可以在未來(lái)幾十年逐步取代傳統的化石燃料驅動(dòng)汽車(chē)。得益于創(chuàng )新技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)正在接管汽車(chē)行業(yè)，改進(jìn)的電池技術(shù)將使電動(dòng)汽車(chē)比汽油車(chē)更便宜、更具吸引力。
根據國際能源署（IEA）的報告，2021年第一季度電動(dòng)汽車(chē)（EV）銷(xiāo)量同比增加約140%。隨著(zhù)各國政府致力于實(shí)現可持續發(fā)展目標，汽車(chē)行業(yè)計劃到2025年投資超過(guò)3300億美元，以推進(jìn)汽車(chē)電氣化，向電動(dòng)汽車(chē)的轉型似乎不可避免。
