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展，例如在2023年后禁止銷售新的內燃機汽車（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。我們將詳細介紹電動汽車充電站的市場趨勢、技術趨勢和先進的半導體技術。

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數小時等待充電，而直流充電樁能夠極大地縮短汽車充電時間，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重要，Yole集團（圖1）預測直流充電器市場將以復合年增長率（CAGR2020-26）15.6%的速度發(fā)展。

圖1 按功率進行直流充電（來源：Yole集團）

圖2所示為EV直流充電站的示例電路。電動汽車的容量預計在2023年達到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（Vehicle to Grid）。隨著電動汽車的普及，汽車到電網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，該技術能夠在時間及設施成本方面優(yōu)化能源使用；例如在用電高峰時間，電動車能反饋電力到電網的方式緩解用電壓力，而電動汽車在用電空閑時間內進行充電以節(jié)省成本。在這種情況下，EV充電設施必須是雙向類型（圖3），支持充電和放電。EV和雙向充電站的普及有望為實現利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會做出貢獻。

圖2 電動汽車直流充電站電路示例

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驅動電池電壓的市場趨勢?？s短充電時間對于電動汽車的普及至關重要，并且正在向支持更高功率和更高電壓的充電方法轉變。此外，通過內部電源單元的模塊化并根據負載分配功率，可以同時為多個EV充電，有望消除充電擁堵。

圖4 DC充電方式和EV驅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，所使用的功率半導體需要具有更低的損耗。這是因為在輸出大功率時，需要大型冷卻系統(tǒng)，因為即使在相同的效率下，高功率的損耗也會增加（例如：如果效率為98%，輸出功率為50kW，則損耗為1kW。當效率為98%和400kW輸出時，損耗變?yōu)?kW并且冷卻變得困難）。通過采用低損耗功率半導體，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（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的期望都在增加。基于MOSFET的設計可實現同步整流、更高的開關頻率、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體的趨勢。如前所述，功率半導體需要支持高功率和高電壓，并且損耗較低。對于微控制器和電源管理IC，希望集成安全和保護功能、高安全性、FOTA（固件遠程升級）、減少外圍BOM成本、柵極驅動器IC支持低高電壓和高開關頻率，以及集成更多功能。

表1 直流充電站半導體的技術趨勢

直流充電站的示例應用如圖5所示。瑞薩電子的IGBT不僅實現了低損耗：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在大電流控制并聯使用時的時序錯位，從而改善了并聯時的不平衡，提高了穩(wěn)定性和安全性。同時，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頻率的高性能定時器，有助于系統(tǒng)小型化和外圍BOM減少。結合電源管理IC，它簡化了微控制器故障監(jiān)控和診斷功能的設計，并最大限度地降低了BOM成本。柵極驅動器IC具有高驅動能力，可以驅動高功率功率半導體。此外，它還支持功率半導體的并聯驅動，在實現降低BOM的同時實現高功耗。

圖5 直流充電站的應用

瑞薩電子為可再生能源、微型電網和電力電子市場（如電動汽車）提供廣泛的半導體產品。此外，瑞薩電子提供的成功產品組合解決方案，將半導體產品（功率半導體+微控制器+模擬產品）組合在一起，并為每個單元以及半導體產品提供硬件參考設計和軟件設計信息。通過利用電動汽車直流快速充電站，可以省略每個產品的設備選擇和原型設計，從而有助于縮短開發(fā)周期并降低客戶的研發(fā)成本。

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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，整個社會正在向零排放方向進行大力轉變?？稍偕茉词袌龅臄U大、向電動汽車的轉變以及充電站的普及預計將在未來猛烈加速。瑞薩電子將通過提供符合市場趨勢的半導體產品，為社會邁向零排放提供成功產品組合解決方案，為實現利用可再生能源的可持續(xù)發(fā)展社會做出貢獻。

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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，提供完整的半導體解決方案。成功產品組合加速汽車、工業(yè)、基礎設施及物聯網應用上市，賦能數十億聯網智能設備改善人們的工作和生活方式。更多信息，敬請訪問renesas.com