電動汽車快充：是“續航里程焦慮”的解藥嗎？

【導讀】今年3月份以來，隨著俄烏正式開戰，國際燃油價格一路高漲，屢創新高。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注。實際上，電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的出現主要是出于環保的考慮。然而，出人意料的是，因地區沖突引發的大規模地區能源危機，竟然也能成為影響新能源汽車行業發展的誘因。

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，而是何時實現。根據Wallbox公司的調查數據，幾乎所有的受訪者都認為，到2030-2040年，電動汽車將占據汽車市場的主導地位。

買車，為什么不首選電動汽車？

從環保和智能化角度考慮，電動汽車應該是買車的首選。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勢；其次是普遍采用的交流樁存在著數量不足、充電時間過長等問題，充電過程耗時費力，而續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）

隨著充電基礎設施的不斷建設、快速充電樁的開發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Grand View Research的預測，全球電動汽車充電基礎設施市場規模在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，電動汽車充電設備在商業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。

不斷進化的快速充電解決方案

快速、經濟、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；提高充電站設定尺寸內的功率密度；通過增大負荷并降低功耗來提高效率；降低每瓦電能的設計成本。因此，設計工程師必須克服如下技術挑戰：

一是功耗和散熱問題。真正的快充應允許電池以高達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的修改都需要多方面的權衡。

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人員才能進行操作，并且對統一的充電插頭有很高的材料和技術要求。

面對這些難題，半導體技術是使電動汽車快速充電達到更方便、更經濟、更可持續的關鍵。

01 TI電動汽車充電樁的電源拓撲

隨著電動汽車數量的增加，人們越來越需要在世界各地建立更節能的充電基礎設施系統。現實的情況是：新型電動汽車的續航里程和電池容量均高于前代車型，因此急需開發新型快速直流充電解決方案，以滿足快速充電的需求。TI公司提供的參考設計重點在設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計的組成部分。

圖2為直流充電樁的典型框圖。考慮到將轉換器堆放在車內會使車輛變得笨重，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（SoC）。為了實現這種高功率水平，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。每個轉換器與其功率級相關，功率級由功率開關和門驅動器、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頁上獲取的電動汽車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，驅動功率級MOSFET的柵極驅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，如冷卻散熱器的風扇、隔離放大器等。

圖3：電動汽車充電樁電源模塊的系統級框圖

（圖源：TI）

前文已經提到，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。這些快速充電應用需要模塊化電源轉換器，可以并聯以滿足不同的功率水平，從而實現快速充電。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換，它將來自電網的輸入交流電源（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%。憑借簡單的電路拓撲、簡單的調制和控制方案，實現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，為電動汽車的蓄電池充電。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（SoC）。

TI的方案是通過在高開關頻率下操作轉換器來實現的，這樣可以減小磁性元件的尺寸，從而有助于實現高功率密度。其中涉及的產品和技術包括：嵌入式處理技術，比如C2000實時微控制器，以及隔離柵極驅動器和完全集成的氮化鎵（GaN）電源設備等。GaN技術能夠在多電平功率拓撲中以更高的開關頻率工作，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汽車車主的總體擁有成本。

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，降溫就變得相對簡單。英飛凌認為現代化的功率芯片是其中的關鍵。這些芯片現在具備了幾年前無法想象的效率水平。英飛凌開發的高效能碳化硅（SiC）模塊，已經在太陽能這個對高效能要求同樣嚴苛的行業占據了一席之地。現在，英飛凌又將這些高效電路應用到了電動汽車領域。高功率充電系統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，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。基于IGBT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，可提高開關頻率，從而減小整體系統尺寸并實現更高效率。

其中，英飛凌EconoDUAL3系列產品可以支持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技術相結合，使得該1200V產品系列的額定電流值從600A擴展到高達900A。模塊的對稱設計使得并聯運行時IGBT半橋之間的均流得到優化。

對于使用CoolSiC MOSFET的轉換器，其開關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%，大大降低了應用成本。經過優化的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，從而實現更快速的開關并提升效率。

四大創新技術，讓電動汽車充電更給力

快速充電、聯網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鍵技術。接下來，還有哪些重大創新技術將進一步推動電動汽車市場的發展呢？仔細分析之后，我們認為下面這些技術將對電動汽車的大規模采用產生較大影響，并將在未來幾年重塑電動汽車市場。

雙向充電技術

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

與傳統的單向充電器相比，雙向充電是汽車充電技術的重大突破。過去，由于成本高、體積過大，這項技術僅用于具體的試點項目。經過一系列的技術改進，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，電動汽車的電池將轉化成為一個儲能點，對電動汽車駕駛員乃至公用事業公司都有好處。事實上，電動汽車最終可能成為脫碳電網的關鍵部件。在Wallbox公司所作的電動汽車影響力調查中，75%的受訪者表示認可這項技術的應用前景。現在看來，雙向充電仍處在起步階段，隨著技術的進步，它的潛力會越來越大。

改進的電池技術

電池技術在過去十年中有了顯著改善，價格也大幅下調，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的續航里程。這其中，電池效率與成本比是關鍵。

現在，大多數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航里程的固態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、更大的續航里程和更低的價格，電動汽車行業都會受益于此，并進一步提高所占市場份額。

智能充電技術

智能充電背后的理念很簡單，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汽車充電的同時優化能源使用。為了實現這一目標，與傳統（或非智能）充電器不同，智能充電需要與電動汽車本身、充電站和能源供應商進行數字通信以及數據交換，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、更節能、可持續的方式為電動汽車“加滿油”，同時有助于延長電池的使用壽命。

汽車制造技術

改進的電池技術是增加電動汽車需求的關鍵一步，電動汽車的制造技術同樣是讓大眾愿意選擇電動汽車的重要一環。簡而言之，規模經濟、漸進式改進和生產技術的重大創新對于汽車行業跟上電動汽車快速增長的需求至關重要。

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

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

審核編輯：湯梓紅