如何打造更快速、更安全且更智能的充電樁

當充電樁在2020年被列入新基建的七大項目之中時(shí)，人們似乎看到了一個(gè)萬(wàn)億元的市場(chǎng)即將被撬動(dòng)，隨之超過(guò)26個(gè)省市密集出臺了50余項與充電設施相關(guān)的政策。但現實(shí)是，根據智研咨詢(xún)提供的數據顯示，在過(guò)去的一年里充電樁的出貨量雖有明顯上升（從12萬(wàn)到近30萬(wàn)），卻未出現期望中的井噴。

市場(chǎng)的發(fā)展未能盡如人意，固然有各方利益協(xié)調的問(wèn)題，但是從技術(shù)的角度來(lái)看也存在著(zhù)各種阻礙因素，其中最亟需解決的是對于用戶(hù)的充電體驗至為重要的充電時(shí)間，此外則是充電樁信息的實(shí)時(shí)交互問(wèn)題，而這些都聚焦于大功率直流充電樁。

焦慮的充電進(jìn)行時(shí)

為了解決電動(dòng)汽車(chē)的充電焦慮問(wèn)題，更快的充電速度成為快充站的明確要求，實(shí)現充電5分鐘，行駛200公里會(huì )成為行業(yè)的普遍要求。充電樁的直流模塊可以通過(guò)提高功率密度和提高充電電壓兩個(gè)方向升級，前者需要高性能實(shí)時(shí)微控制器和支持更高開(kāi)關(guān)頻率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐壓以及更高的轉換效率，第三代寬禁帶半導體功率器件將會(huì )是很好的選擇。而且隨著(zhù)第三代半導體開(kāi)關(guān)頻率的提高，需要更復雜的電源拓撲和控制算法，因此對于實(shí)時(shí)控制器的需求也進(jìn)一步提高。

提到直流充電樁的主控部分，就必須提到市場(chǎng)上占據份額較高的德州儀器(TI)C2000?微控制器。事實(shí)上，C2000微控制器在中國市場(chǎng)久負盛名，早已廣泛用于電力電子控制領(lǐng)域，并在工業(yè)和汽車(chē)應用中提供高級數字信號處理。在過(guò)去20多年間C2000微控制器一直處于模數控制革命的前沿，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，現在的第三代性能更為出色：擁有更強的運算能力、更豐富的外設資源。

C2000微控制器實(shí)施控制器由于內置C28x數學(xué)優(yōu)化型內核，具有微控制器和數字信號處理器雙重優(yōu)勢。通過(guò)各種高效率計算內核，C2000微控制器可實(shí)現微秒級環(huán)路計算時(shí)間。比如在雙向高密度GaN CCM圖騰柱PFC中，利用TMU，C2000微控制器可以將PWM計算從10微秒減少到0.5微秒以下，確保逐個(gè)周期進(jìn)行自適應死區計算，從而對GaN FET進(jìn)行最精確和高效的控制。

集成更高級的外設，是C2000微控制器滿(mǎn)足復雜拓撲結構的另一大優(yōu)勢。通過(guò)集成3.6M SPS采樣率，12 位至 16 位分辨率的ADC，實(shí)現更高速的電流采樣和電壓采樣；還有150ps分辨率的PWM，這樣就可以滿(mǎn)足第三代半導體更高的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現高動(dòng)態(tài)特性的充電模塊并顯著(zhù)提高效率、降低尺寸。

為了追求更高的效率而增加總線(xiàn)電壓時(shí)，復雜的多電平拓撲變得越來(lái)越普遍。 NPC和ANPC拓撲是雙向PFC /逆變器最受歡迎的兩種拓撲，它們可以將開(kāi)關(guān)設備上的電壓應力限制為總線(xiàn)電壓的一半。但是，這些拓撲需要來(lái)自MCU的更多PWM通道，并且還需要一種特殊的保護方案以在任何停機期間維持電源開(kāi)關(guān)兩端的電壓平衡。C2000微控制器第三代器件提供了獨特的可配置邏輯塊(CLB)，可實(shí)現板載故障保護方案，以確保在所有工作條件下均提供實(shí)時(shí)保護，而無(wú)需任何外部邏輯電路，類(lèi)似于FPGAs / CPLDs一樣靈活。例如TIDA-010210 6.6kW 三相三級 ANPC 逆變器/PFC 雙向功率級參考設計中所呈現。

另一方面，針對快速充電樁高效率、高功率密度的電力電子和非常高的功率密度的設計目標，第三代半導體（包括SiC、GaN等）成為市場(chǎng)上冉冉升起的新星，是實(shí)現碳達峰、碳中和的最重要的半導體技術(shù)。相比此前兩代，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，因此可以減少系統散熱成本及無(wú)源器件尺寸，可以提供更高能效或更高功率密度，并且降低系統總成本。

SiC由于推出時(shí)間早，用戶(hù)覆蓋面更廣。不過(guò)“SiC和GaN究竟孰優(yōu)孰劣目前下結論還為時(shí)尚早，如果長(cháng)期來(lái)看，硅基GaN在成本方面的下降空間會(huì )更大?！?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/德州儀器">德州儀器華北區技術(shù)支持經(jīng)理付楊表示。無(wú)論如何，未來(lái)隨著(zhù)第三代半導體在工藝上的成熟度越來(lái)越提高，整體成本優(yōu)勢會(huì )更加凸顯。

TI在這兩個(gè)方向上均有布局，SiC方面通過(guò)提供集成電容式隔離功能的驅動(dòng)器，提高系統穩健性和可靠性，減小外形尺寸和輕松符合 EMI 標準。而TI在GaN上的布局則可追溯到2010年，2017年與西門(mén)子推出了首個(gè)10千瓦連接云電網(wǎng)的轉換器。而且通過(guò)不斷嘗試新架構，使GaN適應更廣的電壓范圍，比如800V、1000V（可參考），這也為將來(lái)在充電樁上看到GaN的身影帶來(lái)了更大的可能性。為了保證高可靠性，TI已經(jīng)針對GaN FET進(jìn)行了4000多萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測試和超過(guò)5 GWh的功率轉換應用測試。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高可靠性和集成度，TI推出了GaN與驅動(dòng)集成的器件。更為亮眼的是，TI在GaN方面擁有自己的工藝和工廠(chǎng)，因此可以確保產(chǎn)品品質(zhì)和供應的穩定性保障。

在充電時(shí)長(cháng)之外，用戶(hù)最痛苦的莫過(guò)于需要充電時(shí)無(wú)法確知前方充電樁的使用情況，這就需要利用安全的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)遠程接入和控制。TI可以提供從短距離近場(chǎng)通訊（身份識別、信息保護）到遠距離私有協(xié)議通信等各類(lèi)安全無(wú)線(xiàn)連接產(chǎn)品，還可兼容常用的BLE、WiFi通訊技術(shù)。這些就可以讓充電樁實(shí)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)，用戶(hù)得知它的使用情況。

數據安全是用戶(hù)和運營(yíng)商都越來(lái)越看重的，因此解決方案要求提供安全的身份鑒權、數據通信等功能。在WiFi產(chǎn)品上，TI很早以前就加入了信息安全保護機制，比如針對外置Flash的數據完整性進(jìn)行驗證，防止非授權訪(fǎng)問(wèn)和保護敏感數據，以及完善加密通道、密鑰管理等安全機制。

需要的更多

實(shí)際上，一個(gè)更安全、更智能、更快速的充電樁涉及到的技術(shù)遠不止以上所提到的。比如，超級充電樁由于是大功率高壓戶(hù)外場(chǎng)景，具有特殊的安全和可靠性要求，因此在這種場(chǎng)景下使用的隔離器件、柵極器件的穩定性和智能化，對功率器件做出的保護，是直流模塊能否以更安全的狀態(tài)運行的前提條件。

據德州儀器華北區技術(shù)支持經(jīng)理付楊介紹，TI正在進(jìn)行各個(gè)方面的創(chuàng )新研究來(lái)應對充電樁市場(chǎng)的種種挑戰，其中之一便是如何以更加智能的充電樁來(lái)改善用戶(hù)體驗，這將需要借助邊緣計算和AI技術(shù)。

而在傳統的產(chǎn)品方面，也是在有條不紊地推進(jìn)。比如TI高集成度的下一代電源產(chǎn)品，將電流采樣和隔離、隔離電源管理芯片，集成在一顆更小的芯片中，幫客戶(hù)節省PCB面積和成本；以及在現有的硅器件的基礎上，通過(guò)更復雜的拓撲，在沒(méi)有使用更高級的功率器件的情況下實(shí)現更高功率密度……

在擁有先進(jìn)的技術(shù)之外，TI針對不同的用戶(hù)和需求，提供多產(chǎn)品線(xiàn)、不同的合作方式，最關(guān)鍵的是，作為一家已深耕中國三十五年的有企業(yè)社會(huì )責任的企業(yè)，愿意通過(guò)全面的本地支持，來(lái)幫助中國企業(yè)成功，融入到中國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大潮中。

2021年，與碳達峰、碳中和被首次寫(xiě)入《政府工作報告》的，還有“增加停車(chē)場(chǎng)、充電樁、換電站等設施，加快建設動(dòng)力電池回收利用體系?！睋ば挪坑?019年末發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃（2021~2035）》征求意見(jiàn)稿，預計2030年我國新能源汽車(chē)保有量將達到6420萬(wàn)輛。即使車(chē)樁比不能實(shí)現1:1，也意味著(zhù)未來(lái)充電樁市場(chǎng)必將實(shí)現飛躍式發(fā)展。順潮流而動(dòng)并能立于潮頭的秘訣是尋找到能夠一步一個(gè)腳印，踏踏實(shí)實(shí)靜下心來(lái)一個(gè)問(wèn)題一個(gè)問(wèn)題來(lái)解決的合作伙伴。一直以來(lái)，TI都堅持如此，并致力于創(chuàng )造更好的未來(lái)。TI將始終如一，與大家攜手迎接未來(lái)挑戰。