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电动汽车快速充电续航里程焦虑的解药吗?
(2024年6月12日更新)

今年3月以来,随着俄乌正式开战,国际燃油价格一路上涨,屡创新高。受此影响,市场状况良好的新能源汽车更受消费者关注。事实上,电动汽车(EV)混合动力汽车(HEV)出现主要是为了环保。然而,令人惊讶的是,由区域冲突引发的大规模区域能源危机也可能成为影响新能源汽车产业发展的诱因。

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因此,专家预测,未来十年,电动汽车的市场表现将更加突出,甚至目前讨论的话题也不再是电动汽车是否最终会接管汽车行业,而是何时实现。Wallbox几乎所有受访者都认为,到2030-2040年,电动汽车将占据汽车市场的主导地位。


为什么不买电动车呢?


从环境保护和智能的角度来看,电动汽车应该是购买汽车的首选。然而,事实并非如此。因为人们普遍认为先,电动汽车在价格上没有太大的竞争优势;其次,交流桩数量不足,充电时间长,充电过程耗时费力,但里程没有达到一般预期。


图1:从家用插座到超高功率充电桩的充电时间比较

(图源:Infineon)


随着充电基础设施的不断建设、快速充电桩的开发和高功率密度电池的使用,这种情况将成为过去。采用新材料和新技术用进一步提高了电动汽车电池的容量和功率密度,锂离子电池的容量是铅电池的7倍。另据Grand View Research预计2020年全球电动汽车充电基础设施市场规模为150亿美元,预计2021-2028年复合年增长率将达到33.4%。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甚至智能充电站的数量也将显著增加。


快速充电解决方案的不断进化


快速、经济、安全、可靠是电动汽车充电解决方案的重要考虑因素。在设计电动汽车直流充电桩时,经常满足这些条件:增加输出功率,缩短充电时间,提高充电站设定尺寸内的功率密度,增加负荷,降低功耗,降低每瓦电能的设计成本。因此,设计工程师必须克服以下技术挑战:


一是功耗和散热。真正的快速充电允许电池高达350kW充电功率。以此计算,97%的效率意味着9kW功率损耗。在指定的高功率水平下向电动汽车供电会造成大量的损耗和高温,可能会对设备造成损坏。


二是电池尺寸与充电电流的比例平衡。英飞凌在给汽车电池充电时有一个计算i例如,自2016年以来,其电池容量为95Ah。如果以100A的电流为100Ah理论上,电池连续充电需要一个小时。在目前400V在正常电压下,一小时内为100Ah电池充电需要40左右kW充电功率。这只是续航约200公里所需的电量,不能算是真正的快充。要进一步缩短充电时间,必须增加充电电流,修改充电桩的任何参数都需要多方面权衡。


三是高功率输出的安全问题。综合充电标准(CCS)允许输出电压超过5000V,因此,只有训练有素的专业人员才能操作,对统一充电插头的材料和技术要求也很高。

面对这些问题,半导体技术是使电动汽车快速充电更可持续的关键。


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,世界各地的充电基础设施系统越来越节能。现实情况是,新电动汽车的续航里程和电池容量都高于前代车型,因此迫切需要开发新的快速直流充电解决方案,以满足快速充电的需要。TI这些智能高效的电源模块可以作为快速直流充电桩设计的一部分。


图2是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,这些堆叠式变流器通常放置在车辆外部,成为电动汽车充电桩的一部分。充电桩通过车载充电器直接连接到车辆电池。直流充电桩是一种L3充电器可满足120-240kW范围内的极高功率。L3充电器通常在30分钟内将电池充电到80%的荷电状态(SoC)。为实现这种高功率水平,TI采用可堆叠模块化电源转换器。


图2:直流充电桩的典型框图

(图源:TI)


,直流充电桩中的电源模块集成在充电桩中AC/DC电源级和DC/DC电源级组成。每个转换器都与功率级有关,由功率开关、门驱动、电流、电压传感和控制器组成。图3为从TI在电动汽车充电站电源模块网页上获得的电动汽车充电桩电源模块系统级框图。连接到输入端的三相交流电源AC/DC功率级。该模块将输入的交流电压转换为约800 V固定直流电压作为固定直流电压DC/DC输入功率级。另外,驱动功率级MOSFET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。此外,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冷却散热器风扇、隔离放大器等转换器。


图3:电动汽车充电桩电源模块系统级框图

(图源:TI)


正如前面提到的,直流充电桩需要大功率转换器,以便在30分钟内充电到80%。这些快速充电应用程序需要模块化的电源转换器,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。如果我们能在相同尺寸下将功率输出翻倍,将大大节省成本,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在这方面充分考虑了参考设计。AC/DC阶段(也叫PFC阶段)是电动汽车充电站的第一级功率转换,将来自电网的输入交流电源(380–415VAC)转换为800V稳定的直流电路电压。PFC维持正弦输入电流通常非常重要THD<5%。实现高效率、高功率密度的可能性,具有简单的电路拓扑、简单的调制和控制方案。DC/DC一级是电动汽车充电站的二级功率转换。它将输入的800V直流电路电压(如果是三相系统)转换为较低的直流电压,为电动汽车的电池充电。DC/DC转换器必须能够在恒定电流和恒定电压模式下为电池提供额定功率于电池的充电状态(SoC)。


TI该方案是通过在高开关频率下操作转换器来实现的,降低磁性元件的尺寸,从而有助于实现高功率密度。涉及的产品和技术包括嵌入式处理技术,如C2000实时微控制器、隔离栅极驱动器和完全集成的氮化镓(GaN)电源设备等。GaN该技术可以在多电平功率拓扑中以更高的开关频率工作,从而比传统的硅基材料充电更快、更高效。这意味着工程师可以在电力系统中设计较小的磁铁,从而降低使用铜和其他原材料的成本。另外,多级拓Lumissil代理扑可以更高效地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整体所有权成本。


02 英飞凌超快直流充电系统


若能量转换效率达到99%甚至更高,则冷却相对简单。英飞凌认为现代功率芯片是关键。这些芯片现在有几年前无法想象的效率。英飞凌开发的高效碳化硅(SiC)该模块在太阳能这个对高效率要求同样严格的行业中占有一席之地。现在,英飞凌已经将这些高效电路应用到电动汽车领域。高功率充电系统的目标是缩短充电时间,使电动汽车能够与燃油汽车相比。借助高达350kW这种高效、快速、易用的充电方式将有助于消除人们的里程焦虑。英飞凌技术的充电桩可将充电时间从原来的三小时缩短到几分钟。


对于50kW至350kW对于直流电动汽车充电器来说,这种功率类别的常见策略是使用功率模块而不是分立器件。基于IGBT采用的解决方案EconoPACK和EconoDUAL,适用于Vienna整流器和AFE以及-直流转换通常在20左右 kHz 下运行。CoolSiC Easy交流-直流转换器等级约为40kHz至50kHz下运行。CoolSiC也是直流-直流级的首选设备,可以提高开关频率,从而降低整个系统的尺寸,实现更高的效率。


英飞凌EconoDUAL3系列产品可支持600V / 650V / 1200V和 1700V电压等级和1000A到900A完整的电流范围。该模块与最新一代通过TRENCHSTOP IGBT7技术的结合使1200V产品系列的额定电流值为600A扩展到高达900A。模块的对称设计使并联运行IGBT优化了半桥之间的均流。


图4:采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3

(图源:Infineon)


对于使用CoolSiC MOSFET开关频率的增加可以显著降低磁组件的体积和重量,最多可以降低25%,大大降低应用成本。经过优化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V,在最低应用损耗和最高运行可靠性方面表现良好。这款碳化硅MOSFET采用TO247 4引脚包装可以减少栅极电路的寄生源电感,从而实现更快的开关,提高效率。


四大创新技术使电动汽车充电更加强大


快速充电、互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,哪些主要的创新技术将进一步促进电动汽车市场的发展?经过仔细分析,我们认为以下技术将对电动汽车的大规模应用产生更大的影响,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汽车到电网(V2G)允许能量从电池流向电网的概念使用时保持电网的稳定性。这也是当今行业流行的双向充电(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、体积大,该技术仅用于特定的试点项目。经过一系列的技术改进,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为储能点,有利于电动汽车司机甚至公用事业公司。事实上,电动汽车最终可能成为脱碳电网的关键部件。在Wallbox在公司对电动汽车影响力的调查中,75%的受访者表示认可该技术的应用前景。双向充电仍处于起步阶段,随着技术的进步,其潜力将越来越大。


电池技术的改进


在过去的十年里,电池技术有了显著的改进,价格也大幅下降。2010年至2018年,锂离子电池价格下降约85%。然而,电池技术仍需进一步改进,其目标是为更便宜的电动汽车配备更好的里程。其中,电池效率和成本比是关键。


目前,大多数电动汽车使用锂离子电池。能量密度高、安全性高、成本低的电池可以消除人们对电动汽车的里程焦虑。能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。固态电池的平均寿命比锂离子电池的6年寿命大约超过10年。随着氢燃料电池的加入,无法判断哪种电池最终会在应用中脱颖而出。然而,只要能带来更大的容量、更大的里程和更低的价格,电动汽车行业就会受益于此,进一步提高其市场份额。


智能充电技术


智能充电背后的概念非常简单,其定义的各个方面都归因于能源消耗。智能充电的最终目标是优化电动汽车的能源使用。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和数据交换。正是这种工作和收费方式赢得了智能的称号。智能充电的整体效果是以更便宜、更节能、更可持续的方式为电动汽车加油,有助于延长电池的使用寿命。


汽车制造技术


电池技术的改进是增加电动汽车需求的关键一步,电动汽车制造技术也是公众选择电动汽车的重要组成部分。简而言之,规模经济、逐步改进和生产技术的重大创新对汽车行业跟上电动汽车快速增长的需求至关重要。


特斯拉和其他公司已经证明,电动汽车可以在未来几十年逐渐取代传统的化石燃料驱动汽车。由于创新技术,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汽车更便宜、更有吸引力。


根据国际能源署(IEA)2021年第一季度电动汽车报告(EV)销量同比增长约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3300多亿美元,推动汽车电气化,向电动汽车转型似乎不可避免。

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