四大技術(shù)爭奪EV充電樁主流標準

各國正重點(diǎn)推廣電動(dòng)車(chē)，車(chē)廠(chǎng)也紛紛公布了應對的策略。隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)的普及，意味著(zhù)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源已從補充汽油的形式，傳換補充電力的形式，這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前，汽車(chē)電動(dòng)化（EV）在全球范圍內快速發(fā)展。不僅僅在歐洲，因為CO2排放法規而直接推動(dòng)了電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)成長(cháng)，各國政府也都重點(diǎn)推廣電動(dòng)車(chē)，例如在2030年后禁止銷(xiāo)售新的ICE汽車(chē)（內燃機汽車(chē)），因此整車(chē)廠(chǎng)也紛紛公布了應對政策。電動(dòng)車(chē)的普及意味著(zhù)，汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源已從補充汽油的形式，轉換為補充電力的形式，這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前電動(dòng)車(chē)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(fǎng)某個(gè)地方時(shí)充電；「中途充電」，意即在行駛的過(guò)程中，前往充電站充電，如在高速公路的服務(wù)區內充電。日常充電和目的地充電，對于日常使用和短途旅行非常重要。而中途充電則是對于長(cháng)途旅行非常重要。由于不可能在途中充電休息數小時(shí)，要像現在的內燃機汽車(chē)一樣進(jìn)行快速汽油補充，因此關(guān)鍵是要有充電時(shí)間特別短的直流快速充電設施（圖1）。

 

圖1 : 充電設施和充電場(chǎng)所、充電器輸出。（source：JEITA）

全球電動(dòng)車(chē)充電站的設置與成長(cháng)趨勢
在許多歐洲國家，已通過(guò)法律強制要求在住宅和商業(yè)場(chǎng)所必須安裝電動(dòng)汽車(chē)充電設施，多數區域已經(jīng)設置可提供日常充電和目的地充電所需的充電站，因此在當地進(jìn)行短途旅行，也都無(wú)需擔心電力的問(wèn)題。
而在路線(xiàn)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，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，也正制定鼓勵廣泛安裝充電站的政策和法規。
如今電動(dòng)車(chē)正在全球加速普及，因此普及充電站勢在必行，根據研究公司富士經(jīng)濟的預測（圖2），全球直流充電樁的數量，在2035年預計超過(guò)210萬(wàn)座，與2020年相比，呈現5倍以上的高速成長(cháng)。

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

另一方面，除了中國之外，高速充電設施在亞洲區域的設置數量還是相對的較少。這是因為不僅僅是「日常充電」部分，在現有住宅區或大樓設置充電器存在著(zhù)高度的困難，在「目的地充電」和「路線(xiàn)充電」的部分，則是面臨著(zhù)確保盈利的挑戰。
這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的爭論，因為現階段電動(dòng)車(chē)普及率不高，所以充電站的需求不大，而且由于充電站設置不普遍下，充電就變成為一個(gè)困擾，也就造成電動(dòng)車(chē)更難普及。因此，亞洲各國政府為了克服這種情況，紛紛規劃了各種相對應的方案，例如，日本政府祭出了補助安裝充電設備所需的費用（設備和建筑）等措施。
充電站的普及是提高電動(dòng)車(chē)比例所迫切需求的要點(diǎn)之一。盡管電動(dòng)車(chē)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。雖然所有汽油車(chē)都在加油站加油，但就電動(dòng)車(chē)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(xiàn)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)系統來(lái)確保利潤。以歐洲為例，多家車(chē)廠(chǎng)已經(jīng)和能源供貨商組成聯(lián)盟來(lái)建立大規模充電業(yè)務(wù)，透過(guò)統一充電平臺，以及在各汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)點(diǎn)設置充電站，從而促進(jìn)電動(dòng)車(chē)充電站的普及。

充電時(shí)間過(guò)長(cháng)導致基礎設施復雜
充電基礎設施如此復雜的最大原因是充電（能源供應）所需的時(shí)間較長(cháng)，因為電動(dòng)車(chē)的充電器有兩種不同類(lèi)型。雖然內燃車(chē)的燃料有汽油和柴油不同，但在加油時(shí)，無(wú)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)間的計量單位則多是以小時(shí)而不是分鐘來(lái)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)格相對較低，通常放置在獨戶(hù)住宅或商業(yè)場(chǎng)所的停車(chē)位上。首先，使用者需要安裝專(zhuān)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(zhuān)用插座或普通充電器輸出）輸入到電動(dòng)車(chē)中，并透過(guò)電動(dòng)車(chē)內的充電器（車(chē)載充電器），將交流電轉換為直流電并對電池（鋰離子二次電池）充電。這時(shí)用戶(hù)需要安裝專(zhuān)用的200V交流電源插座或普通充電器。
專(zhuān)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，因此充電需要相當長(cháng)的時(shí)間。例如，日產(chǎn)LEAF電動(dòng)車(chē)早期型號的電池容量為30kW時(shí)，從最低電池電量(當警告燈亮起時(shí))，充滿(mǎn)電需要10多個(gè)小時(shí)。而目前最新款的車(chē)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(cháng)達13個(gè)小時(shí)。2022年6月所推出的微型車(chē)標準電動(dòng)車(chē)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。這與內燃車(chē)相比，補充能源的時(shí)間實(shí)在相當長(cháng)。
而「快速充電器」的輸出電壓高達400V至500V DC，最大電流為60A。假設從最低值（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別在于，「快速充電器」有內建變壓電路，可以在將交流電轉換為直流電的同時(shí)升壓，并在監控車(chē)輛充電量的同時(shí)控制輸出電流，使得充電開(kāi)始時(shí)，就可以輸出最大電流輛，當電荷量達到一定水平時(shí)，輸出電流則會(huì )自動(dòng)降低。

充電方式、電池電壓與市場(chǎng)趨勢
在這些充電方式中，決定電動(dòng)車(chē)普及的就是「傳導式快速充電器」，也就是所謂的「快速充電器」。大多是應用于中途充電基礎設施中。目前，這種充電器目標是在大約30分鐘內，將電動(dòng)車(chē)電池充電至最大容量的80%。不過(guò)市場(chǎng)最大的期待值是將充電時(shí)間縮短到5分鐘左右。
圖3顯示了驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)的各種直流充電方法，和電池電壓的市場(chǎng)趨勢?？s短充電時(shí)間對于快速擴大電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)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(guò)模塊化內部電源單元并根據負載分配電力，可以同時(shí)為多輛電動(dòng)車(chē)充電，進(jìn)而有望解決充電時(shí)擁堵的現象。

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

目前，快速充電器主要有四種標準(圖4)。包括由日本汽車(chē)業(yè)者所制定的CHAdeMO (CHArge de MOve)；中國的GB(Guojia Biaozhun;國家標準)/T 27930 (大多被簡(jiǎn)稱(chēng) GB/T)；美國和歐洲的CCS (Combined Charging System)；以及最大的電動(dòng)車(chē)業(yè)者-特斯拉所專(zhuān)有的SC (Supercharger)標準。
到2020年底，CHAdeMO標準的全球普及率預計為36,000個(gè)，GB/T為300,000個(gè)，CCS為13,000個(gè)，SC 標準為25,000個(gè)，其中絕大多數的GB/T充電器都是在中國。
為了實(shí)現未來(lái)快速充電器的標準化，日本CHAdeMO 標準制定組織-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準。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準。隨后在2020年4月發(fā)布CHAdeMO的3.0版，作為日中聯(lián)合標準「ChaoJi」連接器規格的設計要求。
預計新一代的「ChaoJi」將提供與CHAdeMO、GB/T、CCS和SC等標準回朔兼容的能力。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(chē)電動(dòng)車(chē)，和多輛普通車(chē)型電動(dòng)車(chē)，同時(shí)進(jìn)行快速充電。未來(lái)更進(jìn)一步的更可為船舶、土木工程施工設備、載客無(wú)人機、小型摩托車(chē)、電動(dòng)踏板車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等提供充電的能力。

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

充電設備功能的轉變與零組件趨勢
此外，隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)的普及，還出現了將驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電池中的電能，作為社會(huì )基礎設施加以利用的趨勢，作為利用再生能源和應對災害的措施，例如許多地區正在引進(jìn)和展示，以地區為單位來(lái)構建能源網(wǎng)絡(luò )的微電網(wǎng)。
其中，電動(dòng)車(chē)的驅動(dòng)電池可用于再生能源高峰轉移，以及災害期間作為備用電源（蓄電池）。在這種情況下，電動(dòng)車(chē)充電設備就必須是能同時(shí)支持充電和放電的雙向型。因此預計電動(dòng)車(chē)和雙向充電站的普及，將有助于實(shí)現利用再生能源的永續社會(huì )。
表一顯示了直流充電站中使用的半導體的趨勢。如上所述，功率半導體需要兼容于高功率和高電壓，并且具有較低的損耗。因此對于微控制器和電源管理IC來(lái)說(shuō)，希望具有安全性和保護功能、高安全性、FOTA(韌體無(wú)線(xiàn)更新)以及可整合的外圍功能以減少BOM，而閘極驅動(dòng)IC還能夠兼容于高電壓和低功耗半導體，以及整合高度微控制器、電源管理IC和其他周邊功能，來(lái)減少對象的使用數量。

表1：直流充電站所使用的半導體組件趨勢

接下來(lái)，相信觀(guān)察直流充電站中使用的半導體，將隨著(zhù)直流充電系統功率越來(lái)越大，電壓越來(lái)越高，所使用的功率半導體的損耗也應該越來(lái)越低。這是因為在效率相同的情況下，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。
使用低損耗功率半導體可以使冷卻系統的成本更低，體積更小，進(jìn)而降低系統的成本和體積。因此近年來(lái)，市場(chǎng)對SiC MOSFET，和Si IGBT的期望也越來(lái)越高，期望透過(guò)更先進(jìn)的MOSFET來(lái)設計出，允許使用同步整流和更高的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現更便宜的冷卻系統和更小的被動(dòng)組件。

充電電源的改變與趨勢
近十年科技最大轉變之一，就是車(chē)輛將從加油站補充動(dòng)力來(lái)源轉變成充電站。在電動(dòng)車(chē)基礎設施的早期，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(chǎng)所的充電據點(diǎn)正在更換為直流充電器，來(lái)提高周轉率。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。
因此可預期的是直流充電器正在成為公共充電的標準，使得安裝數量將持續成長(cháng)，反之，交流充電成長(cháng)預計將會(huì )須放緩。雖然我們仍然看到交流充電在家庭中的使用，提供一或兩輛車(chē)進(jìn)行過(guò)夜充電，但這對于許多的公共區域充電點(diǎn)運營(yíng)商，或企業(yè)來(lái)說(shuō)根本不可行。
無(wú)論如何，電動(dòng)車(chē)充電市場(chǎng)正在快速成長(cháng)。也正促使充電組件相關(guān)產(chǎn)業(yè)，可以伴隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)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存的問(wèn)題，但相信全球快速擴充中的電動(dòng)車(chē)充電基礎設施，必定會(huì )強化電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)規模呈現更高速的成長(cháng)。