盡管電動(dòng)車(chē) (EV) 起步發(fā)展略顯緩慢，但市場(chǎng)接受度在不斷提高，發(fā)展速度也在不斷加快。限制EV使用的一個(gè)關(guān)鍵因素是充電點(diǎn)的相對(duì)缺乏，特別是可用于“旅途中”充電的快速充電點(diǎn)。從某些方面講，就是“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題，因?yàn)樵谟酶嗟某潆婞c(diǎn)克服“里程焦慮”之前，EV的銷(xiāo)售是有限的，而在更多的EV上路之前，公司不愿投資于充電基礎(chǔ)設(shè)施。
目前，為了給汽油車(chē)加油，僅有的選擇就是去加油站，這些加油站成千上萬(wàn)，位于高速公路旁、城市和許多城鎮(zhèn)。
隨著EV的出現(xiàn)，情況發(fā)生了變化：雖然許多加油站會(huì)加入充電點(diǎn)，但它們幾乎可安裝在車(chē)輛可停放的任何地方—工作場(chǎng)所、公共建筑、路邊服務(wù)區(qū)、住宅街道，甚至是駕駛者自己的住所內(nèi)。
EV有多種類(lèi)型，混合類(lèi)型（插電混動(dòng)PHEV、全混動(dòng)Full HEV、輕度混動(dòng)MHEV）替代內(nèi)燃機(jī)（ICE）這一傳統(tǒng)推進(jìn)力源，用電動(dòng)馬達(dá)和內(nèi)燃機(jī)互相協(xié)助成為新的動(dòng)力源；完全由電池驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛只有電動(dòng)馬達(dá)，被稱(chēng)為BEV；而萌芽的FCEV 基于燃料電池。一般來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力車(chē)可由內(nèi)燃機(jī)自充電，但有些類(lèi)型（PHEV）可通過(guò)插電進(jìn)行充電。
預(yù)期所有類(lèi)型的電動(dòng)車(chē)（xEV）的銷(xiāo)售在未來(lái)幾年將呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)，其中BEV和MHEV的增長(zhǎng)最為強(qiáng)勁。
圖1：預(yù)測(cè)的xEV銷(xiāo)量(圖片來(lái)源：HIS,Omdia2020)
為了支持xEV的增長(zhǎng)，需要充電基礎(chǔ)設(shè)施的相應(yīng)增長(zhǎng)。目前，絕大多數(shù)的充電點(diǎn)都在中國(guó)—尤其是快速充電樁，安裝量超過(guò)80%。
圖2：2019年按國(guó)家劃分的私人和公共充電樁(圖片來(lái)源：IEA2020)
根據(jù)研究公司Research and Markets的數(shù)據(jù)，在2020年至2027年期間，充電樁的安裝量復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 將達(dá)31.8%，相關(guān)價(jià)值的CAGR將達(dá)39.8%，這表明在此期間的售價(jià)會(huì)上漲。
直流充電標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
為了使xEV能被公用的充電器充電，標(biāo)準(zhǔn)化必須到位，必須有通用協(xié)議。這在車(chē)輛經(jīng)常從一個(gè)國(guó)家到另一個(gè)國(guó)家的地區(qū)，如歐洲，尤其重要。
全球有三個(gè)主要協(xié)議，它們來(lái)自一系列的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CHAdeMO（charge de move）于2010年在日本啟用，得到了日本主要公司（日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田等）以及一些歐洲制造商的支持。借鑒IEC6185和IEC62196等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，CHAdeMO定義了一個(gè)特定的連接器。此外，其還定義了充電器—目前最高為400 千瓦 /1000 伏，但據(jù)報(bào)道，與中國(guó)電力委員會(huì) (China Electricity Council) 的合作關(guān)系正在考慮將充電器提高到900 千瓦。
聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）最初由歐洲和美國(guó)的領(lǐng)先制造商發(fā)起，包括大眾、奧迪、寶馬、戴姆勒、福特、通用和沃爾沃，現(xiàn)在也包括一些亞洲制造商。CCS的交流和直流標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自適用的 IEC、SAE和ISO標(biāo)準(zhǔn)，并正在制定高達(dá)350 千瓦的充電器標(biāo)準(zhǔn)。目前部署有超過(guò)33,000 個(gè)充電點(diǎn)，其中一半以上是50 千瓦。
最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是快速直流充電的特斯拉超級(jí)充電器，這是特斯拉汽車(chē)的專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)。目前已經(jīng)安裝了超過(guò)2 萬(wàn)個(gè)站，使用特斯拉的專(zhuān)有連接器，并提供高達(dá)250 千瓦的功率。為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)，特斯拉現(xiàn)在正在為一些車(chē)輛提供適配器，以使用CCS充電站。在歐洲，一些特斯拉汽車(chē)上安裝了CCS兼容端口。
所有標(biāo)準(zhǔn)的充電時(shí)間都是由電池容量、電荷狀態(tài)和充電站的可用功率以及車(chē)輛可能的最大充電速率決定的。例如，在100 千瓦時(shí)的充電條件下，一輛“普通”車(chē)輛需要29 分鐘才能增加266 公里的里程。這比給汽油車(chē)加油的3-5 分鐘要長(zhǎng)得多，這也解釋了為什么各組織正推動(dòng)更高的充電率。
快速直流充電和相關(guān)的電源拓?fù)?br>
有兩種類(lèi)型的充電—車(chē)載和非車(chē)載，該定義涉及在哪里進(jìn)行直流電轉(zhuǎn)換。車(chē)載充電器將交流電從墻上的插座或充電點(diǎn)引入車(chē)輛，由車(chē)載充電器將其轉(zhuǎn)換為直流電，為電池充電。相反，非車(chē)載充電器在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為直流電，然后向車(chē)輛提供直流電，直接為電池充電。
快速直流充電器在主動(dòng)力總成中包含兩級(jí)—功率因素校正（PFC）級(jí)和DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)。有幾種PFC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合單向充電，包括NPC、T-NPC和6開(kāi)關(guān)。由于正在考慮在電力昂貴的時(shí)期利用汽車(chē)電池中儲(chǔ)存的能量為家庭供電，雙向工作的能力變得越來(lái)越重要。
圖3：充電可以是車(chē)載的，也可以是非車(chē)載的(圖片來(lái)源：Yole Development)
具有低內(nèi)阻RDSon（在40 m以下）的碳化硅（SiC）MOSFET是首選方案，特別是對(duì)于較高的功率范圍，因?yàn)樗鼈兊哪苄П韧?lèi)硅方案高。理想情況下，這些將體現(xiàn)在功率集成模塊（PIM）中，因?yàn)檫@些集成方案提供更好的性能，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，和減小系統(tǒng)尺寸，提高可靠性。T- 中性點(diǎn)鉗位（T-NPC）類(lèi)型也需要1200 V的二極管（或雙向工作開(kāi)關(guān)），而NPC使用650 V SiC MOSFET或IGBT等開(kāi)關(guān)。
對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)，有兩種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全橋諧振LLC和全橋零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）。LLC在初級(jí)端實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），通常在次級(jí)端支持零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），這使得在接近諧振頻率的情況下，能效水平非常高。如果工作頻率是有限的，LLC轉(zhuǎn)換器就是個(gè)高效的方案，但由于相關(guān)電流共享和同步難題，并行運(yùn)行是個(gè)挑戰(zhàn)。
總結(jié)
提供廣泛的快速充電網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是未來(lái)幾年EV銷(xiāo)量增長(zhǎng)的關(guān)鍵成功因素之一。目前有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)都來(lái)自不同的行業(yè)團(tuán)體，雖然有明顯的差異，但都同樣需要更大的功率和更高的能效。SiC器件是實(shí)現(xiàn)快速充電的關(guān)鍵，其對(duì)于EV的成功普及有著至關(guān)重要的作用。 |
