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电动汽车快充:是“续航里程焦虑”的解药吗?

今年3月份以来,随着俄乌正式开战,国际燃油价格一路高涨,屡创新高。受此影响,原本市场行情就不错的新能源汽车更加受到消费者的关注。实际上,电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的出现主要是出于环保的考虑。然而,出人意料的是,因地区冲突引发的大规模地区能源危机,竟然也能成为影响新能源汽车行业发展的诱因。

因此,专家们预测,在未来十年中,电动汽车的市场表现将更加突出,甚至当前讨论的话题不再是电动汽车是否会最终接管汽车行业,而是何时实现。根据Wallbox公司的调查数据,几乎所有的受访者都认为,到2030-2040年,电动汽车将占据汽车市场的主导地位。


买车,为什么不首选电动汽车?


从环保和智能化角度考虑,电动汽车应该是买车的首选。不过,实际情况并非如此。因为人们普遍认为:首先电动汽车在价格上没有太大的竞争优势;其次是普遍采用的交流桩存在着数量不足、充电时间过长等问题,充电过程耗时费力,而续航里程却没有达到普遍的预期。


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图1:从家用插座到超高功率充电桩的充电时间对比

(图源:Infineon


随着充电基础设施的不断建设、快速充电桩的开发以及高功率密度电池的使用,这种情况都将成为过去。新材料和新技术的采用使得电动汽车电池的容量和功率密度得到了进一步提升,如今的锂离子电池的容量相当于同等大小铅蓄电池的7倍。另据Grand View Research的预测,全球电动汽车充电基础设施市场规模在2020年为150亿美元,预计从2021到2028年,其复合年增长率将达到33.4%。其中,电动汽车充电设备在商业场所的市场渗透率明显高于住宅场所。随着电动汽车的普及,有利于能源优化的快速充电桩乃至智能充电站的数量也将大幅增加。


不断进化的快速充电解决方案


快速、经济、安全和可靠是电动汽车充电解决方案必须兼顾的重要考量。在设计电动汽车直流充电桩时,常常要满足这些条件:增大输出功率,缩短充电时间;提高充电站设定尺寸内的功率密度;通过增大负荷并降低功耗来提高效率;降低每瓦电能的设计成本。因此,设计工程师必须克服如下技术挑战:


一是功耗和散热问题。真正的快充应允许电池以高达350kW的功率进行充电。以此来计算,97%的效率就意味着有9kW的功率损耗。在指定的高功率水平下向电动汽车供电,就会产生大量损耗和高温,因此可能会造成器件的损坏。


二是电池尺寸和充电电流之间的配比平衡问题。英飞凌有过一个测算,在给汽车电池充电时,以宝马i3汽车为例,自2016年以来,它的电池容量为95Ah。如果以100A的电流为100Ah电池连续充电,理论上需要一个小时才能充满。在目前400V的正常电压下,要在一小时内为100Ah的电池充电,大约需要40kW的充电功率。这还只是大约200公里续航范围内所需的电量,不能算是真正的快充。如果要进一步缩短充电时间,必须要增大充电电流,涉及充电桩任一参数的修改都需要多方面的权衡。


三是高功率输出的安全问题。综合充电标准(CCS)允许输出电压高于500V,因此只有训练有素的专业人员才能进行操作,并且对统一的充电插头有很高的材料和技术要求。

面对这些难题,半导体技术是使电动汽车快速充电达到更方便、更经济、更可持续的关键。


01 TI电动汽车充电桩的电源拓扑


随着电动汽车数量的增加,人们越来越需要在世界各地建立更节能的充电基础设施系统。现实的情况是:新型电动汽车的续航里程和电池容量均高于前代车型,因此急需开发新型快速直流充电解决方案,以满足快速充电的需求。TI公司提供的参考设计重点在设计电源模块时的拓扑考虑,这些智能且高效的电源模块可作为快速直流充电桩设计的组成部分。


图2为直流充电桩的典型框图。考虑到将转换器堆放在车内会使车辆变得笨重,因此,这些堆叠式变流器常被放置在车辆外部,成为电动汽车充电桩的组成部分。充电桩通过车载充电器与车辆蓄电池直接连接。直流充电桩是一个L3充电器,可满足120至240kW范围内的极高功率。L3充电器通常在30分钟内将电池充电至80%的荷电状态(SoC)。为了实现这种高功率水平,TI使用了可堆叠的模块化电源转换器


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图2:直流充电桩的典型框图

(图源:TI)


如图2所示,直流充电桩中的电源模块由集成在充电桩中的AC/DC电源级和DC/DC电源级组成。每个转换器与其功率级相关,功率级由功率开关和门驱动器、电流和电压传感以及控制器组成。图3为从TI的电动汽车充电站电源模块网页上获取的电动汽车充电桩电源模块的系统级框图。在输入端,它有三相交流电源,连接到AC/DC功率级。该模块将输入的交流电压转换为约800 V的固定直流电压,该电压用作DC/DC功率级的输入。此外,驱动功率级MOSFET的栅极驱动器也是功率级的一部分。每个功率级都有一个单独的控制器,负责处理模拟信号并提供快速控制动作。除此之外,还有不同的温度传感模块、CAN、以太网和RS-485接口,以及为辅助电路供电的隔离和非隔离DC/DC转换器,如冷却散热器的风扇、隔离放大器等。


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图3:电动汽车充电桩电源模块的系统级框图

(图源:TI)


前文已经提到,直流充电桩需要大功率转换器,以便在30分钟内充电到80%的荷电状态。这些快速充电应用需要模块化电源转换器,可以并联以满足不同的功率水平,从而实现快速充电。能量密度和系统效率是快速充电桩最重要的参数。如果我们能在同样尺寸的情况下将功率输出增加一倍,这将大大节约成本,并有助于快速充电。


对于给定的应用,更高的系统效率意味着更低的损耗和更小的散热器解决方案。TI的参考设计在这个方面给予了充分考虑。AC/DC阶段(也称为PFC阶段)是电动汽车充电站的第一级功率转换,它将来自电网的输入交流电源(380–415VAC)转换为800V左右的稳定直流链路电压。PFC级对于维持正弦输入电流非常重要,通常THD<5%。凭借简单的电路拓扑、简单的调制和控制方案,实现了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC级是电动汽车充电站的第二级功率转换。它将输入的800V直流链路电压(如果是三相系统)转换为较低的直流电压,为电动汽车的蓄电池充电。DC/DC转换器必须能够在大范围内为电池提供额定功率,并能够在恒定电流和恒定电压模式下为电池充电,具体取决于电池的荷电状态(SoC)。


TI的方案是通过在高开关频率下操作转换器来实现的,这样可以减小磁性元件的尺寸,从而有助于实现高功率密度。其中涉及的产品和技术包括:嵌入式处理技术,比如C2000实时微控制器,以及隔离栅极驱动器和完全集成的氮化镓(GaN)电源设备等。GaN技术能够在多电平功率拓扑中以更高的开关频率工作,因此能够比传统的硅基材料更快、更高效地充电。这意味着工程师可以在电力系统中设计更小的磁铁,从而降低使用铜和其他原材料的组件的成本。此外,多级拓扑可以更高效,从而降低散热或冷却所需的功率。所有这些都有助于降低电动汽车车主的总体拥有成本。


02 英飞凌超快速直流充电系统


如果能量转换效率达到99%甚至以上的话,降温就变得相对简单。英飞凌认为现代化的功率芯片是其中的关键。这些芯片现在具备了几年前无法想象的效率水平。英飞凌开发的高效能碳化硅(SiC)模块,已经在太阳能这个对高效能要求同样严苛的行业占据了一席之地。现在,英飞凌又将这些高效电路应用到了电动汽车领域。高功率充电系统的目标是缩短充电时间,以使电动汽车达到能够与燃油车相提并论的程度。借助高达350kW的大功率直流充电系统,续航200公里需要充电大约7分钟,这种高效、快速且易用的充电方式将有助于消除人们的“续航里程焦虑”。采用英飞凌技术的充电桩可将充电时间从原本的三小时缩短到了几分钟。


对于50kW至350kW的直流电动汽车充电器而言,这种功率类别采用的常见策略是使用功率模块而非分立器件。基于IGBT的解决方案采用EconoPACK和EconoDUAL,适用于Vienna整流器和AFE以及交流-直流转换,通常在约20 kHz 下运行。CoolSiC Easy模块可使交流-直流转换器级在约40kHz至50kHz下运行。CoolSiC也是直流-直流级的首选器件,可提高开关频率,从而减小整体系统尺寸并实现更高效率。


其中,英飞凌EconoDUAL3系列产品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V电压等级,以及从100A到900A的完整电流范围。该模块通过与最新一代TRENCHSTOP IGBT7技术相结合,使得该1200V产品系列的额定电流值从600A扩展到高达900A。模块的对称设计使得并联运行时IGBT半桥之间的均流得到优化。


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图4:采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3

(图源:Infineon)


对于使用CoolSiC MOSFET的转换器,其开关频率增加可导致磁性组件体积和重量显著减少,最多可减少25%,大大降低了应用成本。经过优化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V,在达到最低应用损耗和最高运行可靠性方面表现出色。这款碳化硅MOSFET采用TO247 4引脚封装,可降低栅极电路的寄生源电感影响,从而实现更快速的开关并提升效率。


四大创新技术,让电动汽车充电更给力


快速充电、联网汽车和智能充电是近年来加速电动汽车在世界各地普及的几项关键技术。接下来,还有哪些重大创新技术将进一步推动电动汽车市场的发展呢?仔细分析之后,我们认为下面这些技术将对电动汽车的大规模采用产生较大影响,并将在未来几年重塑电动汽车市场。


双向充电技术


汽车技术的最新趋势是车到电网(V2G)的概念,它允许能量从电池流向电网,以在车辆停放或不使用时保持电网的稳定性。这也是时下行业热门的双向充电(Bidirectional charging)技术。


与传统的单向充电器相比,双向充电是汽车充电技术的重大突破。过去,由于成本高、体积过大,这项技术仅用于具体的试点项目。经过一系列的技术改进,现在的双向充电器变得更便宜、更小、更高效。借助双向充电技术,电动汽车的电池将转化成为一个储能点,对电动汽车驾驶员乃至公用事业公司都有好处。事实上,电动汽车最终可能成为脱碳电网的关键部件。在Wallbox公司所作的电动汽车影响力调查中,75%的受访者表示认可这项技术的应用前景。现在看来,双向充电仍处在起步阶段,随着技术的进步,它的潜力会越来越大。


改进的电池技术


电池技术在过去十年中有了显著改善,价格也大幅下调,2010年到2018年期间,锂离子电池价格下降了约85%。不过,电池技术仍需进一步改进,其目标是为更便宜的电动汽车车型配备更优的续航里程。这其中,电池效率与成本比是关键。


现在,大多数电动汽车使用的都是锂离子电池。更高能量密度、更安全、更低成本的电池更能消除人们对电动汽车的里程焦虑。在此过程中,能够有效延长寿命和续航里程的固态电池开始进入电动汽车市场。与锂离子电池的6年寿命相比,固态电池的平均寿命约在10年以上。随着氢燃料电池的加入,最终哪种电池将在应用中脱颖而出目前还无法做出判断,不过,只要它能带来更大的容量、更大的续航里程和更低的价格,电动汽车行业都会受益于此,并进一步提高所占市场份额。


智能充电技术


智能充电背后的理念很简单,它定义的所有方面都归结为能源消耗。智能充电的最终目标是在为电动汽车充电的同时优化能源使用。为了实现这一目标,与传统(或非智能)充电器不同,智能充电需要与电动汽车本身、充电站和能源供应商进行数字通信以及数据交换,正是这种工作和收费方式赢得了“智能”称号。智能充电的总体效果就是以一种更便宜、更节能、可持续的方式为电动汽车“加满油”,同时有助于延长电池的使用寿命。


汽车制造技术


改进的电池技术是增加电动汽车需求的关键一步,电动汽车的制造技术同样是让大众愿意选择电动汽车的重要一环。简而言之,规模经济、渐进式改进和生产技术的重大创新对于汽车行业跟上电动汽车快速增长的需求至关重要。


特斯拉等公司已经证明,电动汽车可以在未来几十年逐步取代传统的化石燃料驱动汽车。得益于创新技术,电动汽车正在接管汽车行业,改进的电池技术将使电动汽车比汽油车更便宜、更具吸引力。


根据国际能源署(IEA)的报告,2021年第一季度电动汽车(EV)销量同比增加约140%。随着各国政府致力于实现可持续发展目标,汽车行业计划到2025年投资超过3300亿美元,以推进汽车电气化,向电动汽车的转型似乎不可避免。


THE END
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