多種技術(shù)支持電動(dòng)汽車(chē)快速充電系統(tǒng)

目前，與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 的數(shù)量較少。然而，向混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變正在加速。預(yù)計(jì)到 2020 年將增長(zhǎng)約 40%，從 2017 年的約 420 萬(wàn)輛增至 3030 萬(wàn)輛。報(bào)告中的數(shù)字各不相同，但都預(yù)測(cè)在未來(lái)幾年我們將看到 HEV 和 EV 的驚人增長(zhǎng)。今天改用電動(dòng)是一條安靜的鄉(xiāng)間小路，明天將變成一條六車(chē)道的高速公路。

這種轉(zhuǎn)變的速度取決于許多因素。目前，最大的兩個(gè)限制是缺乏車(chē)輛充電基礎(chǔ)設(shè)施以及司機(jī)為汽車(chē)充電所需的時(shí)間。這就是為什么開(kāi)發(fā)直流快速充電站網(wǎng)絡(luò)如此重要的原因。

令人驚訝的是，直流快速充電站的增長(zhǎng)幅度不大，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)不使用直流充電，而且并非所有純電動(dòng)汽車(chē)都能夠使用快速充電。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到 2023 年，將有 2000 個(gè)直流快速充電站，其中很少有真正的快速充電站，充電功率超過(guò) 50 千瓦。

盡管如此，這些充電站將對(duì)電子行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。直流快速充電站中的功率半導(dǎo)體數(shù)量如此之多，即使數(shù)量不多，到 2030 年，功率半導(dǎo)體器件的總市場(chǎng)也將達(dá)到 1.2 億個(gè)以上。充電系統(tǒng)的增長(zhǎng)率有望爆發(fā)式增長(zhǎng)大約在 2030 年左右，因此功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)組件的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

圖 1直流充電系統(tǒng)使用多種電路保護(hù)和功率半導(dǎo)體技術(shù)。

推動(dòng)增長(zhǎng)

政府監(jiān)管和立法正在推動(dòng)這一增長(zhǎng)，因?yàn)槊绹?guó)、中國(guó)和歐洲的領(lǐng)導(dǎo)者推動(dòng)轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，以實(shí)現(xiàn)減少 CO 2和提高燃油效率標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

消費(fèi)者似乎準(zhǔn)備好了。一次充電的有限行駛里程一直是消費(fèi)者采用的挑戰(zhàn)。但電池技術(shù)在過(guò)去幾年中一直在改進(jìn)。在電池成本下降的同時(shí)，電池充電容量和功率密度也在增加。隨著電池變得更輕、更強(qiáng)大，我們看到新的電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程達(dá)到 300 英里甚至更多，非常接近內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的續(xù)航里程。這引發(fā)了采用。

另一項(xiàng)使能技術(shù)是碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體器件和模塊的出現(xiàn)。50 kW 及更高功率的電動(dòng)汽車(chē)充電站需要高效的電力轉(zhuǎn)換。每一個(gè)百分比的功率損耗都會(huì)在如何處理散熱方面帶來(lái)工程挑戰(zhàn)。

想象一下，消費(fèi)者想要在能夠提供超過(guò) 50 kW 功率的直流快速充電站為他或她的汽車(chē)充電。這涉及極高的電流水平，因此充電電纜中的損耗會(huì)使其過(guò)熱。這意味著設(shè)計(jì)需要對(duì)電纜進(jìn)行冷卻，而老一代充電站不需要這種復(fù)雜性。

物理學(xué)正在推動(dòng)行業(yè)尋求在功率轉(zhuǎn)換期間提供更高功率效率的新技術(shù)。設(shè)計(jì)工程師正在采用寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體器件，因?yàn)檫@些技術(shù)可以降低功率損耗。尤其是 SiC 器件已經(jīng)變得非?？煽壳覂r(jià)格更實(shí)惠，這有助于實(shí)現(xiàn)向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變。

圖 2碳化硅 MOSFET 和肖特基二極管，例如 Littelfuse 的這些，通過(guò)提供低功率開(kāi)關(guān)損耗而設(shè)計(jì)用于 EV 充電應(yīng)用。