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充电5分钟,行驶200千米成电动汽车刚需,充电桩解决方案会如何变?

(文/程文智)自从2020年,电动汽车充电桩被列入新基建的七大项目之一后,很多人都看好这个市场的发展规模和未来趋势。在国内有超过26个省市密集出台了50余项与充电设施相关的政策。根据调研机构提供的数据显示,从2019年至2020年,中国公共充电桩的年增量从12.89万上涨到近30万,这从数据层面证实了乐观的市场预期。

对于充电桩市场规模的预测,Autute非常乐观,该机构预计全球充电桩市场到2027年底,将会达到930亿美元,年复合增长率在20%左右。除了市场规模,那么充电桩在技术方面有哪些发展趋势呢?
充电5分钟,行驶200千米成电动汽车刚需,充电桩解决方案会如何变?

充电5分钟,行驶200千米成电动汽车刚需
从技术方面来看,未来充电桩解决方案将主要聚焦于解决当下电动汽车充电环节所存在的主要问题。德州仪器现场应用经理付杨认为,这些问题包括三个方面:
1)提高直流快充场景的充电速度,5分钟200KM的充电速度会成为刚需。
2)提高直流快充场景的安全等级,高压大电流充电对电池及充电环节带来的安全问题亟需得到解决。
3)提高充电桩的智能化水平,V2G可能成为中小功率充电桩的新形态。

高功率密度和高电压是超级充电桩的两大趋势
很明显,大功率充电站在解决用户充电、里程焦虑方面有着显著的优势。更高功率密度和更高电压是超级充电桩发展的两个趋势。

其实在这两方面的创新也存在一些难点和挑战,付杨举例说,为了追求更高的效率而增加总线电压时,复杂的多电平拓扑变得越来越普遍。

NPC和ANPC拓扑是双向PFC /逆变器最受欢迎的两种拓扑,它们可以将开关设备上的电压应力限制为总线电压的一半。

但是,这些拓扑需要来自MCU的更多PWM通道,并且还需要一种特殊的保护方案以在任何停机期间维持电源开关两端的电压平衡。

当然,付杨也给出了一个解决方案参考,比如TI的C2000微控制器第三代器件提供了独特的可配置逻辑块(CLB),可实现板载故障保护方案,以确保在所有工作条件下均提供实时保护,而无需任何外部逻辑电路,类似于FPGAs / CPLDs一样灵活。例如TIDA-010210 6.6kW 三相三级 ANPC 逆变器/PFC 双向功率级参考设计中所呈现。

另外,除了更高功率密度和更高电压两个发展方向外,实际上,一个更安全、更智能、更快速的充电桩涉及到的技术远不止这些。比如,超级充电桩由于是大功率高压户外场景,具有特殊的安全和可靠性要求,因此在这种场景下使用的隔离器件、栅极器件的稳定性和智能化,对功率器件做出的保护,是直流模块能否以更安全的状态运行的前提条件。

更进一步,从用户体验方面看,在充电时长之外,用户最痛苦的莫过于需要充电时无法确知前方充电桩的使用情况,这就需要利用安全的无线连接技术远程接入和控制。这就需要用到短距离近场通讯(身份识别、信息保护)、远距离私有协议通信等各类安全无线连接产品,以及兼容常用的BLE、WiFi的通讯技术。使用这些技术就可以让充电桩实时更新状态,用户得知它的使用情况。而在用户和运营商都看重的数据安全层面,解决方案需要提供安全的身份鉴权、数据通信等功能。

付杨自豪底表示,在WiFi产品上,TI很早以前就加入了信息安全保护机制,比如针对外置Flash的数据完整性进行验证,防止非授权访问和保护敏感数据,以及完善加密通道、密钥管理等安全机制。在其他相关通信产品方面,TI也有相应的产品可供工程师选择。

第三代半导体产品或是未来
对于充电桩产品来说,还有一个问题也是需要关注的,那就是易安装和易维护性。如果实现了易安装和易维护特性,对于充电桩降低成本是非常有利的。拿安装来说,现在超级充电桩的体积和重量其实是很大的,一般可能需要三四个人来进行安装,调试。而如果能将超级充电桩做到15Kg以下,那么只需要一个人就能完成整个安装调试过程了,这个人工成本就可以节省下来了。

那么如何才能实现对超级充电桩的体积和重量的降低呢?答案是SiC,GaN等第三代半导体产品。付杨对<电子发烧友>表示,三代半导体(包括SiC、GaN等)成为充电桩市场上冉冉升起的新星,是实现碳达峰、碳中和的最重要的半导体技术。
充电5分钟,行驶200千米成电动汽车刚需,充电桩解决方案会如何变?

第三代半导体相比此前两代,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,因此可以减少系统散热成本及无源器件尺寸,可以提供更高能效或更高功率密度,长期来看可以进一步降低系统总成本。

SiC由于推出时间早,用户覆盖面更广,在汽车中的应用更多。不过SiC和GaN究竟孰优孰劣目前下结论还为时尚早,如果长期来看,硅基GaN在成本方面的下降空间会更大。无论如何,未来随着第三代半导体在工艺上的成熟度越来越高,整体成本优势会更加凸显,相信也会在不久的将来在充电桩领域得到广泛的应用。

具付杨透露,在第三代半导体功率器件方面,TI在SiC和GaN方面均有布局。SiC方面通过提供集成电容式隔离功能的驱动器,提高系统稳健性和可靠性,减小外形尺寸和轻松符合 EMI 标准。另一方面,TI在GaN上的布局通过不断尝试新架构,使GaN适应更广的电压范围,比如800V、1000V。他认为高压的GaN器件的出现,为将来在充电桩上看到GaN的身影带来了更大的可能性。

此外,付杨还强调,为了保证高可靠性,TI已经针对GaN FET进行了4000多万小时的器件可靠性测试和超过5 GWh的功率转换应用测试。同时,为了进一步提高可靠性和集成度,TI推出了GaN与驱动集成的器件。值得一提的是,TI在GaN方面拥有自己的工艺和工厂,因此可以确保产品品质和供应的稳定性保障。

虽然SiC和GaN器件有种种好处,但是由于成本的原因,这两种器件都还没有在充电桩领域被广泛采用。不过,相信随着它们成本的降低,它们会成为充电桩中不可或缺的器件。

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