電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)趨勢和技術(shù)趨勢

摘要

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

——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的頒布，電動(dòng)汽車(chē)在近年飛速增長(cháng)。汽車(chē)的電動(dòng)化在全球各地取得進(jìn)展，例如在2023年后禁止銷(xiāo)售新的內燃機汽車(chē)（ICE）。電動(dòng)汽車(chē)的普及也意味著(zhù)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。我們將詳細介紹電動(dòng)汽車(chē)充電站的市場(chǎng)趨勢、技術(shù)趨勢和先進(jìn)的半導體技術(shù)。

汽車(chē)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(mǎn)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(mǎn)足了長(cháng)途駕駛的需求。用戶(hù)不想在路途中花費數小時(shí)等待充電，而直流充電樁能夠極大地縮短汽車(chē)充電時(shí)間，就像傳統汽車(chē)加油一樣。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的全球滲透加速，充電站的廣泛使用至關(guān)重要，Yole集團（圖1）預測直流充電器市場(chǎng)將以復合年增長(cháng)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）

圖2所示為EV直流充電站的示例電路。電動(dòng)汽車(chē)的容量預計在2023年達到1億4000萬(wàn)到2億臺之間，這意味著(zhù)我們將至少擁有1億4000萬(wàn)臺小型儲能單元，總共儲能容量達到7TWh。這也會(huì )使得車(chē)載雙向充電器市場(chǎng)得到巨大增長(cháng)。

我們能看到兩種典型的雙向充電方式：汽車(chē)到家庭（Vehicle to Home）和汽車(chē)到電網(wǎng)（Vehicle to Grid）。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的普及，汽車(chē)到電網(wǎng)的雙向充電方式目的是從電動(dòng)車(chē)提供可觀(guān)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(chē)能反饋電力到電網(wǎng)的方式緩解用電壓力，而電動(dòng)汽車(chē)在用電空閑時(shí)間內進(jìn)行充電以節省成本。在這種情況下，EV充電設施必須是雙向類(lèi)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)現利用可再生能源的可持續發(fā)展社會(huì )做出貢獻。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)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驅動(dòng)電池電壓的市場(chǎng)趨勢?？s短充電時(shí)間對于電動(dòng)汽車(chē)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變。此外，通過(guò)內部電源單元的模塊化并根據負載分配功率，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驅動(dòng)電池電壓的市場(chǎng)趨勢

接下來(lái)，我們將討論直流充電站中使用的半導體元件。隨著(zhù)直流充電方法的功率和電壓越來(lái)越高，所使用的功率半導體需要具有更低的損耗。這是因為在輸出大功率時(shí)，需要大型冷卻系統，因為即使在相同的效率下，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(guò)采用低損耗功率半導體，可以使得冷卻系統變得更小、更便宜。近年來(lái)，對Si（硅）IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和SiC（碳化硅）MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）的期望都在增加?；贛OSFET的設計可實(shí)現同步整流、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更便宜的冷卻系統和更少的無(wú)源元件。

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

表1 直流充電站半導體的技術(shù)趨勢

直流充電站的示例應用如圖5所示。瑞薩電子的IGBT不僅實(shí)現了低損耗：低VCE（sat）=集電極****之間的飽和電壓，而且還成功地抑制了IGBT開(kāi)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)序錯位，從而改善了并聯(lián)時(shí)的不平衡，提高了穩定性和安全性。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(kāi)關(guān)頻率的高性能定時(shí)器，有助于系統小型化和外圍BOM減少。結合電源管理IC，它簡(jiǎn)化了微控制器故障監控和診斷功能的設計，并最大限度地降低了BOM成本。柵極驅動(dòng)器IC具有高驅動(dòng)能力，可以驅動(dòng)高功率功率半導體。此外，它還支持功率半導體的并聯(lián)驅動(dòng)，在實(shí)現降低BOM的同時(shí)實(shí)現高功耗。

圖5 直流充電站的應用

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(chē)）提供廣泛的半導體產(chǎn)品。此外，瑞薩電子提供的成功產(chǎn)品組合解決方案，將半導體產(chǎn)品（功率半導體+微控制器+模擬產(chǎn)品）組合在一起，并為每個(gè)單元以及半導體產(chǎn)品提供硬件參考設計和軟件設計信息。通過(guò)利用電動(dòng)汽車(chē)直流快速充電站，可以省略每個(gè)產(chǎn)品的設備選擇和原型設計，從而有助于縮短開(kāi)發(fā)周期并降低客戶(hù)的研發(fā)成本。

電動(dòng)汽車(chē)直流快速充電站解決方案請查看：https://www.renesas.cn/cn/zh/application/power-and-energy/renewable-energy-green-environment/electric-mobility/dc-fast-charging-station-electric-vehicles

目前，整個(gè)社會(huì )正在向零排放方向進(jìn)行大力轉變?？稍偕茉词袌?chǎng)的擴大、向電動(dòng)汽車(chē)的轉變以及充電站的普及預計將在未來(lái)猛烈加速。瑞薩電子將通過(guò)提供符合市場(chǎng)趨勢的半導體產(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)現利用可再生能源的可持續發(fā)展社會(huì )做出貢獻。