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今年3月以來，隨著俄烏正式開戰(zhàn)，國際燃油價格一路上漲，屢創(chuàng)新高。受此影響，市場狀況良好的新能源汽車更受消費者關(guān)注。事實上，電動汽車（EV）混合動力汽車（HEV）出現(xiàn)主要是為了環(huán)保。然而，令人驚訝的是，由區(qū)域沖突引發(fā)的大規(guī)模區(qū)域能源危機也可能成為影響新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的誘因。

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因此，專家預(yù)測，未來十年，電動汽車的市場表現(xiàn)將更加突出，甚至目前討論的話題也不再是電動汽車是否最終會接管汽車行業(yè)，而是何時實現(xiàn)。Wallbox幾乎所有受訪者都認為，到2030-2040年，電動汽車將占據(jù)汽車市場的主導(dǎo)地位。

為什么不買電動車呢？

從環(huán)境保護和智能的角度來看，電動汽車應(yīng)該是購買汽車的首選。然而，事實并非如此。因為人們普遍認為先，電動汽車在價格上沒有太大的競爭優(yōu)勢；其次，交流樁數(shù)量不足，充電時間長，充電過程耗時費力，但里程沒有達到一般預(yù)期。

圖1：從家用插座到超高功率充電樁的充電時間比較

（圖源：Infineon）

隨著充電基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)、快速充電樁的開發(fā)和高功率密度電池的使用，這種情況將成為過去。采用新材料和新技術(shù)用進一步提高了電動汽車電池的容量和功率密度，鋰離子電池的容量是鉛電池的7倍。另據(jù)Grand View Research預(yù)計2020年全球電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施市場規(guī)模為150億美元，預(yù)計2021-2028年復(fù)合年增長率將達到33.4%。電動汽車充電設(shè)備在商業(yè)場所的市場滲透率明顯高于住宅場所。隨著電動汽車的普及，有利于能源優(yōu)化的快速充電樁甚至智能充電站的數(shù)量也將顯著增加。

快速充電解決方案的不斷進化

快速、經(jīng)濟、安全、可靠是電動汽車充電解決方案的重要考慮因素。在設(shè)計電動汽車直流充電樁時，經(jīng)常滿足這些條件：增加輸出功率，縮短充電時間，提高充電站設(shè)定尺寸內(nèi)的功率密度，增加負荷，降低功耗，降低每瓦電能的設(shè)計成本。因此，設(shè)計工程師必須克服以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

一是功耗和散熱。真正的快速充電允許電池高達350kW充電功率。以此計算，97%的效率意味著9kW功率損耗。在指定的高功率水平下向電動汽車供電會造成大量的損耗和高溫，可能會對設(shè)備造成損壞。

二是電池尺寸與充電電流的比例平衡。英飛凌在給汽車電池充電時有一個計算i例如，自2016年以來，其電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah理論上，電池連續(xù)充電需要一個小時。在目前400V在正常電壓下，一小時內(nèi)為100Ah電池充電需要40左右kW充電功率。這只是續(xù)航約200公里所需的電量，不能算是真正的快充。要進一步縮短充電時間，必須增加充電電流，修改充電樁的任何參數(shù)都需要多方面權(quán)衡。

三是高功率輸出的安全問題。綜合充電標準（CCS）允許輸出電壓超過5000V，因此，只有訓(xùn)練有素的專業(yè)人員才能操作，對統(tǒng)一充電插頭的材料和技術(shù)要求也很高。

面對這些問題，半導(dǎo)體技術(shù)是使電動汽車快速充電更可持續(xù)的關(guān)鍵。

01 TI電動汽車充電樁的電源拓撲

隨著電動汽車數(shù)量的增加，世界各地的充電基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)越來越節(jié)能。現(xiàn)實情況是，新電動汽車的續(xù)航里程和電池容量都高于前代車型，因此迫切需要開發(fā)新的快速直流充電解決方案，以滿足快速充電的需要。TI這些智能高效的電源模塊可以作為快速直流充電樁設(shè)計的一部分。

圖2是直流充電樁的典型框圖。考慮到將轉(zhuǎn)換器堆放在車內(nèi)會使車輛變得笨重，這些堆疊式變流器通常放置在車輛外部，成為電動汽車充電樁的一部分。充電樁通過車載充電器直接連接到車輛電池。直流充電樁是一種L3充電器可滿足120-240kW范圍內(nèi)的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內(nèi)將電池充電到80%的荷電狀態(tài)（SoC）。為實現(xiàn)這種高功率水平，TI采用可堆疊模塊化電源轉(zhuǎn)換器。

圖2：直流充電樁的典型框圖

（圖源：TI）

，直流充電樁中的電源模塊集成在充電樁中AC/DC電源級和DC/DC電源級組成。每個轉(zhuǎn)換器都與功率級有關(guān)，由功率開關(guān)、門驅(qū)動、電流、電壓傳感和控制器組成。圖3為從TI在電動汽車充電站電源模塊網(wǎng)頁上獲得的電動汽車充電樁電源模塊系統(tǒng)級框圖。連接到輸入端的三相交流電源AC/DC功率級。該模塊將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為約800 V固定直流電壓作為固定直流電壓DC/DC輸入功率級。另外，驅(qū)動功率級MOSFET柵極驅(qū)動器也是功率級的一部分。每個功率級都有一個單獨的控制器，負責(zé)處理模擬信號并提供快速控制動作。此外，還有不同的溫度傳感模塊，CAN、以太網(wǎng)和RS-485接口，以及為輔助電路供電的隔離和非隔離DC/DC冷卻散熱器風(fēng)扇、隔離放大器等轉(zhuǎn)換器。

圖3：電動汽車充電樁電源模塊系統(tǒng)級框圖

（圖源：TI）

正如前面提到的，直流充電樁需要大功率轉(zhuǎn)換器，以便在30分鐘內(nèi)充電到80%。這些快速充電應(yīng)用程序需要模塊化的電源轉(zhuǎn)換器，并聯(lián)以滿足不同的功率水平，從而實現(xiàn)快速充電。能量密度和系統(tǒng)效率是快速充電樁最重要的參數(shù)。如果我們能在相同尺寸下將功率輸出翻倍，將大大節(jié)省成本，并有助于快速充電。

對于給定的應(yīng)用，更高的系統(tǒng)效率意味著更低的損耗和更小的散熱器解決方案。TI在這方面充分考慮了參考設(shè)計。AC/DC階段(也叫PFC階段)是電動汽車充電站的第一級功率轉(zhuǎn)換，將來自電網(wǎng)的輸入交流電源(380–415VAC）轉(zhuǎn)換為800V穩(wěn)定的直流電路電壓。PFC維持正弦輸入電流通常非常重要THD<5%。實現(xiàn)高效率、高功率密度的可能性，具有簡單的電路拓撲、簡單的調(diào)制和控制方案。DC/DC一級是電動汽車充電站的二級功率轉(zhuǎn)換。它將輸入的800V直流電路電壓(如果是三相系統(tǒng))轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，為電動汽車的電池充電。DC/DC轉(zhuǎn)換器必須能夠在恒定電流和恒定電壓模式下為電池提供額定功率于電池的充電狀態(tài)（SoC）。

TI該方案是通過在高開關(guān)頻率下操作轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的，降低磁性元件的尺寸，從而有助于實現(xiàn)高功率密度。涉及的產(chǎn)品和技術(shù)包括嵌入式處理技術(shù)，如C2000實時微控制器、隔離柵極驅(qū)動器和完全集成的氮化鎵（GaN）電源設(shè)備等。GaN該技術(shù)可以在多電平功率拓撲中以更高的開關(guān)頻率工作，從而比傳統(tǒng)的硅基材料充電更快、更高效。這意味著工程師可以在電力系統(tǒng)中設(shè)計較小的磁鐵，從而降低使用銅和其他原材料的成本。另外，多級拓Lumissil代理撲可以更高效地降低散熱或冷卻所需的功率。所有這些都有助于降低電動汽車車主的整體所有權(quán)成本。

02 英飛凌超快直流充電系統(tǒng)

若能量轉(zhuǎn)換效率達到99%甚至更高，則冷卻相對簡單。英飛凌認為現(xiàn)代功率芯片是關(guān)鍵。這些芯片現(xiàn)在有幾年前無法想象的效率。英飛凌開發(fā)的高效碳化硅（SiC）該模塊在太陽能這個對高效率要求同樣嚴格的行業(yè)中占有一席之地。現(xiàn)在，英飛凌已經(jīng)將這些高效電路應(yīng)用到電動汽車領(lǐng)域。高功率充電系統(tǒng)的目標是縮短充電時間，使電動汽車能夠與燃油汽車相比。借助高達350kW這種高效、快速、易用的充電方式將有助于消除人們的里程焦慮。英飛凌技術(shù)的充電樁可將充電時間從原來的三小時縮短到幾分鐘。

對于50kW至350kW對于直流電動汽車充電器來說，這種功率類別的常見策略是使用功率模塊而不是分立器件。基于IGBT采用的解決方案EconoPACK和EconoDUAL，適用于Vienna整流器和AFE以及-直流轉(zhuǎn)換通常在20左右 kHz 下運行。CoolSiC Easy交流-直流轉(zhuǎn)換器等級約為40kHz至50kHz下運行。CoolSiC也是直流-直流級的首選設(shè)備，可以提高開關(guān)頻率，從而降低整個系統(tǒng)的尺寸，實現(xiàn)更高的效率。

英飛凌EconoDUAL3系列產(chǎn)品可支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級和1000A到900A完整的電流范圍。該模塊與最新一代通過TRENCHSTOP IGBT7技術(shù)的結(jié)合使1200V產(chǎn)品系列的額定電流值為600A擴展到高達900A。模塊的對稱設(shè)計使并聯(lián)運行IGBT優(yōu)化了半橋之間的均流。

圖4：采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3

（圖源：Infineon）

對于使用CoolSiC MOSFET開關(guān)頻率的增加可以顯著降低磁組件的體積和重量，最多可以降低25%，大大降低應(yīng)用成本。經(jīng)過優(yōu)化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在最低應(yīng)用損耗和最高運行可靠性方面表現(xiàn)良好。這款碳化硅MOSFET采用TO247 4引腳包裝可以減少柵極電路的寄生源電感，從而實現(xiàn)更快的開關(guān)，提高效率。

四大創(chuàng)新技術(shù)使電動汽車充電更加強大

快速充電、互聯(lián)網(wǎng)汽車和智能充電是近年來加速電動汽車在世界各地普及的幾項關(guān)鍵技術(shù)。接下來，哪些主要的創(chuàng)新技術(shù)將進一步促進電動汽車市場的發(fā)展？經(jīng)過仔細分析，我們認為以下技術(shù)將對電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)生更大的影響，并將在未來幾年重塑電動汽車市場。

雙向充電技術(shù)

汽車技術(shù)的最新趨勢是汽車到電網(wǎng)（V2G）允許能量從電池流向電網(wǎng)的概念使用時保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。這也是當今行業(yè)流行的雙向充電（Bidirectional charging）技術(shù)。

與傳統(tǒng)的單向充電器相比，雙向充電是汽車充電技術(shù)的重大突破。過去，由于成本高、體積大，該技術(shù)僅用于特定的試點項目。經(jīng)過一系列的技術(shù)改進，雙向充電器變得更便宜、更小、更高效。借助雙向充電技術(shù)，電動汽車的電池將轉(zhuǎn)化為儲能點，有利于電動汽車司機甚至公用事業(yè)公司。事實上，電動汽車最終可能成為脫碳電網(wǎng)的關(guān)鍵部件。在Wallbox在公司對電動汽車影響力的調(diào)查中，75%的受訪者表示認可該技術(shù)的應(yīng)用前景。雙向充電仍處于起步階段，隨著技術(shù)的進步，其潛力將越來越大。

電池技術(shù)的改進

在過去的十年里，電池技術(shù)有了顯著的改進，價格也大幅下降。2010年至2018年，鋰離子電池價格下降約85%。然而，電池技術(shù)仍需進一步改進，其目標是為更便宜的電動汽車配備更好的里程。其中，電池效率和成本比是關(guān)鍵。

目前，大多數(shù)電動汽車使用鋰離子電池。能量密度高、安全性高、成本低的電池可以消除人們對電動汽車的里程焦慮。能有效延長壽命和續(xù)航里程的固態(tài)電池開始進入電動汽車市場。固態(tài)電池的平均壽命比鋰離子電池的6年壽命大約超過10年。隨著氫燃料電池的加入，無法判斷哪種電池最終會在應(yīng)用中脫穎而出。然而，只要能帶來更大的容量、更大的里程和更低的價格，電動汽車行業(yè)就會受益于此，進一步提高其市場份額。

智能充電技術(shù)

智能充電背后的概念非常簡單，其定義的各個方面都歸因于能源消耗。智能充電的最終目標是優(yōu)化電動汽車的能源使用。為了實現(xiàn)這一目標，與傳統(tǒng)（或非智能）充電器不同，智能充電需要與電動汽車本身、充電站和能源供應(yīng)商進行數(shù)字通信和數(shù)據(jù)交換。正是這種工作和收費方式贏得了智能的稱號。智能充電的整體效果是以更便宜、更節(jié)能、更可持續(xù)的方式為電動汽車加油，有助于延長電池的使用壽命。

汽車制造技術(shù)

電池技術(shù)的改進是增加電動汽車需求的關(guān)鍵一步，電動汽車制造技術(shù)也是公眾選擇電動汽車的重要組成部分。簡而言之，規(guī)模經(jīng)濟、逐步改進和生產(chǎn)技術(shù)的重大創(chuàng)新對汽車行業(yè)跟上電動汽車快速增長的需求至關(guān)重要。

特斯拉和其他公司已經(jīng)證明，電動汽車可以在未來幾十年逐漸取代傳統(tǒng)的化石燃料驅(qū)動汽車。由于創(chuàng)新技術(shù)，電動汽車正在接管汽車行業(yè)，改進的電池技術(shù)將使電動汽車比汽油汽車更便宜、更有吸引力。

根據(jù)國際能源署（IEA）2021年第一季度電動汽車報告（EV）銷量同比增長約140%。隨著各國政府致力于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，汽車行業(yè)計劃到2025年投資3300多億美元，推動汽車電氣化，向電動汽車轉(zhuǎn)型似乎不可避免。