工程師說 | 電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)趨勢(shì)和技術(shù)趨勢(shì)

摘要

近年，汽車（EV）的電氣化正在世界各地迅速發(fā)展，充電站的普及對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展有著非常重要的支撐。本文我們將介紹電動(dòng)汽車充電站的市場(chǎng)趨勢(shì)和技術(shù)趨勢(shì)。

Ryutaro Minesawa

Senior Manager

Yasuhiko Ochiai

Senior Principal Specialist

Shinya Ishida

Sr Staff Product Marketing Specialist

由于二氧化碳排放法規(guī)的頒布，電動(dòng)汽車在近年飛速增長(zhǎng)。汽車的電動(dòng)化在全球各地取得進(jìn)展，例如在2023年后禁止銷售新的內(nèi)燃機(jī)汽車（ICE）。電動(dòng)汽車的普及也意味著以汽油形式分配的能源將作為電力分配，充電站的普及將非常重要。我們將詳細(xì)介紹電動(dòng)汽車充電站的市場(chǎng)趨勢(shì)、技術(shù)趨勢(shì)和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)。

汽車充電站可以分為以下三種：交流L1充電-家庭充電樁，交流L2充電-公共充電樁，直流快充。交流L1以及L2充電方式可以滿足日常生活及短途出行的需求，另一方面，直流充電也極大滿足了長(zhǎng)途駕駛的需求。用戶不想在路途中花費(fèi)數(shù)小時(shí)等待充電，而直流充電樁能夠極大地縮短汽車充電時(shí)間，就像傳統(tǒng)汽車加油一樣。隨著電動(dòng)汽車的全球滲透加速，充電站的廣泛使用至關(guān)重要，Yole集團(tuán)（圖1）預(yù)測(cè)直流充電器市場(chǎng)將以復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR2020-26）15.6%的速度發(fā)展。

圖1 按功率進(jìn)行直流充電（來(lái)源：Yole集團(tuán)）

圖2所示為EV直流充電站的示例電路。電動(dòng)汽車的容量預(yù)計(jì)在2023年達(dá)到1億4000萬(wàn)到2億臺(tái)之間，這意味著我們將至少擁有1億4000萬(wàn)臺(tái)小型儲(chǔ)能單元，總共儲(chǔ)能容量達(dá)到7TWh。這也會(huì)使得車載雙向充電器市場(chǎng)得到巨大增長(zhǎng)。

我們能看到兩種典型的雙向充電方式：汽車到家庭（Vehicle to Home）和汽車到電網(wǎng)（Vehicle to Grid）。隨著電動(dòng)汽車的普及，汽車到電網(wǎng)的雙向充電方式目的是從電動(dòng)車提供可觀的能源，以平衡能源的需求。另外，該技術(shù)能夠在時(shí)間及設(shè)施成本方面優(yōu)化能源使用；例如在用電高峰時(shí)間，電動(dòng)車能反饋電力到電網(wǎng)的方式緩解用電壓力，而電動(dòng)汽車在用電空閑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電以節(jié)省成本。在這種情況下，EV充電設(shè)施必須是雙向類型（圖3），支持充電和放電。EV和雙向充電站的普及有望為實(shí)現(xiàn)利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

圖2 電動(dòng)汽車直流充電站電路示例

圖3 雙向（V2G）EV直流充電站電路示例

圖4顯示了每種直流充電方式和EV驅(qū)動(dòng)電池電壓的市場(chǎng)趨勢(shì)。縮短充電時(shí)間對(duì)于電動(dòng)汽車的普及至關(guān)重要，并且正在向支持更高功率和更高電壓的充電方法轉(zhuǎn)變。此外，通過內(nèi)部電源單元的模塊化并根據(jù)負(fù)載分配功率，可以同時(shí)為多個(gè)EV充電，有望消除充電擁堵。

圖4 DC充電方式和EV驅(qū)動(dòng)電池電壓的市場(chǎng)趨勢(shì)

接下來(lái)，我們將討論直流充電站中使用的半導(dǎo)體元件。隨著直流充電方法的功率和電壓越來(lái)越高，所使用的功率半導(dǎo)體需要具有更低的損耗。這是因?yàn)樵谳敵龃蠊β蕰r(shí)，需要大型冷卻系統(tǒng)，因?yàn)榧词乖谙嗤男氏?，高功率的損耗也會(huì)增加（例如：如果效率為98%，輸出功率為50kW，則損耗為1kW。當(dāng)效率為98%和400kW輸出時(shí)，損耗變?yōu)?kW并且冷卻變得困難）。通過采用低損耗功率半導(dǎo)體，可以使得冷卻系統(tǒng)變得更小、更便宜。近年來(lái)，對(duì)Si（硅）IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和SiC（碳化硅）MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的期望都在增加?；贛OSFET的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同步整流、更高的開關(guān)頻率、更便宜的冷卻系統(tǒng)和更少的無(wú)源元件。

表1顯示了直流充電站中使用的半導(dǎo)體的趨勢(shì)。如前所述，功率半導(dǎo)體需要支持高功率和高電壓，并且損耗較低。對(duì)于微控制器和電源管理IC，希望集成安全和保護(hù)功能、高安全性、FOTA（固件遠(yuǎn)程升級(jí)）、減少外圍BOM成本、柵極驅(qū)動(dòng)器IC支持低高電壓和高開關(guān)頻率，以及集成更多功能。

表1 直流充電站半導(dǎo)體的技術(shù)趨勢(shì)

直流充電站的示例應(yīng)用如圖5所示。瑞薩電子的IGBT不僅實(shí)現(xiàn)了低損耗：低VCE（sat）=集電極發(fā)射器之間的飽和電壓，而且還成功地抑制了IGBT開啟的閾值電壓（Vth）的特性變化。這抑制了IGBT在大電流控制并聯(lián)使用時(shí)的時(shí)序錯(cuò)位，從而改善了并聯(lián)時(shí)的不平衡，提高了穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，它具有高可靠性，使其成為需要高可靠性的直流充電站的理想選擇。接下來(lái)，瑞薩電子的微控制器以低成本提供高速處理和高可靠性。此外，它還配備了可處理高開關(guān)頻率的高性能定時(shí)器，有助于系統(tǒng)小型化和外圍BOM減少。結(jié)合電源管理IC，它簡(jiǎn)化了微控制器故障監(jiān)控和診斷功能的設(shè)計(jì)，并最大限度地降低了BOM成本。柵極驅(qū)動(dòng)器IC具有高驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)高功率功率半導(dǎo)體。此外，它還支持功率半導(dǎo)體的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)降低BOM的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功耗。

圖5 直流充電站的應(yīng)用

瑞薩電子為可再生能源、微型電網(wǎng)和電力電子市場(chǎng)（如電動(dòng)汽車）提供廣泛的半導(dǎo)體產(chǎn)品。此外，瑞薩電子提供的成功產(chǎn)品組合解決方案，將半導(dǎo)體產(chǎn)品（功率半導(dǎo)體+微控制器+模擬產(chǎn)品）組合在一起，并為每個(gè)單元以及半導(dǎo)體產(chǎn)品提供硬件參考設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)信息。通過利用電動(dòng)汽車直流快速充電站，可以省略每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)備選擇和原型設(shè)計(jì)，從而有助于縮短開發(fā)周期并降低客戶的研發(fā)成本。

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目前，整個(gè)社會(huì)正在向零排放方向進(jìn)行大力轉(zhuǎn)變。可再生能源市場(chǎng)的擴(kuò)大、向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變以及充電站的普及預(yù)計(jì)將在未來(lái)猛烈加速。瑞薩電子將通過提供符合市場(chǎng)趨勢(shì)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，為社會(huì)邁向零排放提供成功產(chǎn)品組合解決方案，為實(shí)現(xiàn)利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

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瑞薩電子 (TSE: 6723)

科技讓生活更輕松，致力于打造更安全、更智能、可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。作為全球微控制器供應(yīng)商，瑞薩電子融合了在嵌入式處理、模擬、電源及連接方面的專業(yè)知識(shí)，提供完整的半導(dǎo)體解決方案。成功產(chǎn)品組合加速汽車、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上市，賦能數(shù)十億聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備改善人們的工作和生活方式。更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問renesas.com