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工程師說 | 電動汽車充電站市場趨勢和技術(shù)趨勢

瑞薩電子 ? 來源:未知 ? 2023-07-20 18:10 ? 次閱讀

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摘要

近年,汽車(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汽車的發(fā)展有著非常重要的支撐。本文我們將介紹電動汽車充電站的市場趨勢和技術(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(guī)的頒布,電動汽車在近年飛速增長。汽車的電動化在全球各地取得進(jìn)展,例如在2023年后禁止銷售新的內(nèi)燃機(jī)汽車(ICE)。電動汽車的普及也意味著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(xì)介紹電動汽車充電站的市場趨勢、技術(shù)趨勢和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)。

汽車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,直流充電也極大滿足了長途駕駛的需求。用戶不想在路途中花費(fèi)數(shù)小時(shí)等待充電,而直流充電樁能夠極大地縮短汽車充電時(shí)間,就像傳統(tǒng)汽車加油一樣。隨著電動汽車的全球滲透加速,充電站的廣泛使用至關(guān)重要,Yole集團(tuán)(圖1)預(yù)測直流充電器市場將以復(fù)合年增長率(CAGR2020-26)15.6%的速度發(fā)展。

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圖1 按功率進(jìn)行直流充電(來源:Yole集團(tuán))

圖2所示為EV直流充電站的示例電路。電動汽車的容量預(yù)計(jì)在2023年達(dá)到1億4000萬到2億臺之間,這意味著我們將至少擁有1億4000萬臺小型儲能單元,總共儲能容量達(dá)到7TWh。這也會使得車載雙向充電器市場得到巨大增長。

我們能看到兩種典型的雙向充電方式:汽車到家庭(Vehicle to Home)和汽車到電網(wǎng)(Vehicle to Grid)。隨著電動汽車的普及,汽車到電網(wǎng)的雙向充電方式目的是從電動車提供可觀的能源,以平衡能源的需求。另外,該技術(shù)能夠在時(shí)間及設(shè)施成本方面優(yōu)化能源使用;例如在用電高峰時(shí)間,電動車能反饋電力到電網(wǎng)的方式緩解用電壓力,而電動汽車在用電空閑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電以節(jié)省成本。在這種情況下,EV充電設(shè)施必須是雙向類型(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(xiàn)利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會做出貢獻(xiàn)。

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圖2 電動汽車直流充電站電路示例

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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(qū)動電池電壓的市場趨勢。縮短充電時(shí)間對于電動汽車的普及至關(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(zhuǎn)變。此外,通過內(nèi)部電源單元的模塊化并根據(jù)負(fù)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。

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圖4 DC充電方式和EV驅(qū)動電池電壓的市場趨勢

接下來,我們將討論直流充電站中使用的半導(dǎo)體元件。隨著直流充電方法的功率和電壓越來越高,所使用的功率半導(dǎo)體需要具有更低的損耗。這是因?yàn)樵谳敵龃蠊β蕰r(shí),需要大型冷卻系統(tǒng),因?yàn)榧词乖谙嗤男氏拢吖β实膿p耗也會增加(例如:如果效率為98%,輸出功率為50kW,則損耗為1kW。當(dāng)效率為98%和400kW輸出時(shí),損耗變?yōu)?kW并且冷卻變得困難)。通過采用低損耗功率半導(dǎo)體,可以使得冷卻系統(tǒng)變得更小、更便宜。近年來,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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的期望都在增加。基于MOSFET的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同步整流、更高的開關(guān)頻率、更便宜的冷卻系統(tǒng)和更少的無源元件。

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

表1 直流充電站半導(dǎo)體的技術(shù)趨勢

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直流充電站的示例應(yīng)用如圖5所示。瑞薩電子的IGBT不僅實(shí)現(xiàn)了低損耗:低VCE(sat)=集電極發(fā)射器之間的飽和電壓,而且還成功地抑制了IGBT開啟的閾值電壓(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(cuò)位,從而改善了并聯(lián)時(shí)的不平衡,提高了穩(wěn)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,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關(guān)頻率的高性能定時(shí)器,有助于系統(tǒng)小型化和外圍BOM減少。結(jié)合電源管理IC,它簡化了微控制器故障監(jiān)控和診斷功能的設(shè)計(jì),并最大限度地降低了BOM成本。柵極驅(qū)動器IC具有高驅(qū)動能力,可以驅(qū)動高功率功率半導(dǎo)體。此外,它還支持功率半導(dǎo)體的并聯(lián)驅(qū)動,在實(shí)現(xiàn)降低BOM的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功耗。

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圖5 直流充電站的應(yīng)用

瑞薩電子為可再生能源、微型電網(wǎng)和電力電子市場(如電動汽車)提供廣泛的半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)品(功率半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)品提供硬件參考設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)信息。通過利用電動汽車直流快速充電站,可以省略每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)備選擇和原型設(shè)計(jì),從而有助于縮短開發(fā)周期并降低客戶的研發(fā)成本。

電動汽車直流快速充電站解決方案請長按下方二維碼查看:

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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)社會正在向零排放方向進(jìn)行大力轉(zhuǎn)變。可再生能源市場的擴(kuò)大、向電動汽車的轉(zhuǎn)變以及充電站的普及預(yù)計(jì)將在未來猛烈加速。瑞薩電子將通過提供符合市場趨勢的半導(dǎo)體產(chǎn)品,為社會邁向零排放提供成功產(chǎn)品組合解決方案,為實(shí)現(xiàn)利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會做出貢獻(xiàn)。

了解更多電動汽車充電站的成功組合解決方案,請點(diǎn)擊文末閱讀原文訪問查看。

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END

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瑞薩電子 (TSE: 6723)

科技讓生活更輕松,致力于打造更安全、更智能、可持續(xù)發(fā)展的未來。作為全球微控制器供應(yīng)商,瑞薩電子融合了在嵌入式處理、模擬、電源及連接方面的專業(yè)知識,提供完整的半導(dǎo)體解決方案。成功產(chǎn)品組合加速汽車、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上市,賦能數(shù)十億聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備改善人們的工作和生活方式。更多信息,敬請?jiān)L問renesas.com


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