【導讀】今年3月yue份fen以yi來lai，隨sui著zhe俄e烏wu正zheng式shi開kai戰zhan，國guo際ji燃ran油you價jia格ge一yi路lu高gao漲zhang
，屢lv創chuang新xin高gao。受shou此ci影ying響xiang，原yuan本ben市shi場chang行xing情qing就jiu不bu錯cuo的de新xin能neng源yuan汽qi車che更geng加jia受shou到dao消xiao費fei者zhe的de關guan注zhu。實shi際ji上shang，電dian動dong汽qi車che（EV）和混合動力汽車（HEV）dechuxianzhuyaoshichuyuhuanbaodekaolv。raner
，churenyiliaodeshi
，yindiquchongtuyinfadedaguimodiqunengyuanweiji，jingranyenengchengweiyingxiangxinnengyuanqichexingyefazhandeyouyin。

因(yin)此(ci)，專(zhuan)家(jia)們(men)預(yu)測(ce)，在(zai)未(wei)來(lai)十(shi)年(nian)中(zhong)，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)市(shi)場(chang)表(biao)現(xian)將(jiang)更(geng)加(jia)突(tu)出(chu)，甚(shen)至(zhi)當(dang)前(qian)討(tao)論(lun)的(de)話(hua)題(ti)不(bu)再(zai)是(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)是(shi)否(fou)會(hui)最(zui)終(zhong)接(jie)管(guan)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)，而(er)是(shi)何(he)時(shi)實(shi)現(xian)。根(gen)據(ju)Wallbox公司的調查數據，幾乎所有的受訪者都認為，到2030-2040年，電動汽車將占據汽車市場的主導地位。

買車，為什麼不首選電動汽車？

從環保和智能化角度考慮
，電動汽車應該是買車的首選。不過

，實際情況並非如此。因為人們普遍認為：首先電動汽車在價格上沒有太大的競爭優勢
；其次是普遍采用的交流樁存在著數量不足、充電時間過長等問題
，充電過程耗時費力，而續航裏程卻沒有達到普遍的預期。

圖1：從家用插座到超高功率充電樁的充電時間對比

（圖源：Infineon）

隨著充電基礎設施的不斷建設、kuaisuchongdianzhuangdekaifayijigaogonglvmidudianchideshiyong，zhezhongqingkuangdoujiangchengweiguoqu。xincailiaohexinjishudecaiyongshidediandongqichedianchideronglianghegonglvmidudedaolejinyibutisheng，rujindelilizidianchiderongliangxiangdangyutongdengdaxiaoqianxudianchide7倍。另據Grand View Research的預測
，全球電動汽車充電基礎設施市場規模在2020年為150億美元，預計從2021到2028年

，其複合年增長率將達到33.4%。其qi中zhong，電dian動dong汽qi車che充chong電dian設she備bei在zai商shang業ye場chang所suo的de市shi場chang滲shen透tou率lv明ming顯xian高gao於yu住zhu宅zhai場chang所suo。隨sui著zhe電dian動dong汽qi車che的de普pu及ji，有you利li於yu能neng源yuan優you化hua的de快kuai速su充chong電dian樁zhuang乃nai至zhi智zhi能neng充chong電dian站zhan的de數shu量liang也ye將jiang大da幅fu增zeng加jia。

不斷進化的快速充電解決方案

快速
、經濟、安全和可靠是電動汽車充電解決方案必須兼顧的重要考量。在設計電動汽車直流充電樁時，常常要滿足這些條件：增大輸出功率，縮短充電時間；提高充電站設定尺寸內的功率密度；通過增大負荷並降低功耗來提高效率

；降低每瓦電能的設計成本。因此，設計工程師必須克服如下技術挑戰：

一是功耗和散熱問題。真正的快充應允許電池以高達350kW的功率進行充電。以此來計算，97%的效率就意味著有9kW的功率損耗。在指定的高功率水平下向電動汽車供電，就會產生大量損耗和高溫，因此可能會造成器件的損壞。

二是電池尺寸和充電電流之間的配比平衡問題。英飛淩有過一個測算，在給汽車電池充電時
，以寶馬i3汽車為例，自2016年以來，它的電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah電池連續充電，理論上需要一個小時才能充滿。在目前400V的正常電壓下，要在一小時內為100Ah的電池充電，大約需要40kW的充電功率。這還隻是大約200gonglixuhangfanweineisuoxudedianliang

，bunengsuanshizhenzhengdekuaichong。ruguoyaojinyibusuoduanchongdianshijian
，bixuyaozengdachongdiandianliu，shejichongdianzhuangrenyicanshudexiugaidouxuyaoduofangmiandequanheng。

三是高功率輸出的安全問題。綜合充電標準（CCS）允許輸出電壓高於500V，因此隻有訓練有素的專業人員才能進行操作
，並且對統一的充電插頭有很高的材料和技術要求。

麵對這些難題，半導體技術是使電動汽車快速充電達到更方便
、更經濟、更可持續的關鍵。

01 TI電動汽車充電樁的電源拓撲

隨著電動汽車數量的增加，人們越來越需要在世界各地建立更節能的充電基礎設施係統。現實的情況是：新型電動汽車的續航裏程和電池容量均高於前代車型，因此急需開發新型快速直流充電解決方案

，以滿足快速充電的需求。TI公司提供的參考設計重點在設計電源模塊時的拓撲考慮

，這些智能且高效的電源模塊可作為快速直流充電樁設計的組成部分。

圖2為wei直zhi流liu充chong電dian樁zhuang的de典dian型xing框kuang圖tu。考kao慮lv到dao將jiang轉zhuan換huan器qi堆dui放fang在zai車che內nei會hui使shi車che輛liang變bian得de笨ben重zhong，因yin此ci，這zhe些xie堆dui疊die式shi變bian流liu器qi常chang被bei放fang置zhi在zai車che輛liang外wai部bu
，成cheng為wei電dian動dong汽qi車che充chong電dian樁zhuang的de組zu成cheng部bu分fen。充chong電dian樁zhuang通tong過guo車che載zai充chong電dian器qi與yu車che輛liang蓄xu電dian池chi直zhi接jie連lian接jie。直zhi流liu充chong電dian樁zhuang是shi一yi個geL3充電器，可滿足120至240kW範圍內的極高功率。L3充電器通常在30分鍾內將電池充電至80%的荷電狀態（SoC）。為了實現這種高功率水平
，TI使用了可堆疊的模塊化電源轉換器。

圖2：直流充電樁的典型框圖

（圖源：TI）

如圖2所示，直流充電樁中的電源模塊由集成在充電樁中的AC/DC電源級和DC/DC電源級組成。每個轉換器與其功率級相關，功率級由功率開關和門驅動器
、電流和電壓傳感以及控製器組成。圖3為從TI的電動汽車充電站電源模塊網頁上獲取的電動汽車充電樁電源模塊的係統級框圖。在輸入端
，它有三相交流電源
，連接到AC/DC功率級。該模塊將輸入的交流電壓轉換為約800 V的固定直流電壓，該電壓用作DC/DC功率級的輸入。此外，驅動功率級MOSFET的de柵zha極ji驅qu動dong器qi也ye是shi功gong率lv級ji的de一yi部bu分fen。每mei個ge功gong率lv級ji都dou有you一yi個ge單dan獨du的de控kong製zhi器qi，負fu責ze處chu理li模mo擬ni信xin號hao並bing提ti供gong快kuai速su控kong製zhi動dong作zuo。除chu此ci之zhi外wai，還hai有you不bu同tong的de溫wen度du傳chuan感gan模mo塊kuai、CAN、以太網和RS-485接口，以及為輔助電路供電的隔離和非隔離DC/DC轉換器
，如冷卻散熱器的風扇


、隔離放大器等。

圖3：電動汽車充電樁電源模塊的係統級框圖

（圖源：TI）

前文已經提到
，直流充電樁需要大功率轉換器，以便在30分鍾內充電到80%的(de)荷(he)電(dian)狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)些(xie)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)模(mo)塊(kuai)化(hua)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，可(ke)以(yi)並(bing)聯(lian)以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)。能(neng)量(liang)密(mi)度(du)和(he)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)是(shi)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)樁(zhuang)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)數(shu)。如(ru)果(guo)我(wo)們(men)能(neng)在(zai)同(tong)樣(yang)尺(chi)寸(cun)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)將(jiang)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)


，這(zhe)將(jiang)大(da)大(da)節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)
，並(bing)有(you)助(zhu)於(yu)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)。

對於給定的應用，更高的係統效率意味著更低的損耗和更小的散熱器解決方案。TI的參考設計在這個方麵給予了充分考慮。AC/DC階段（也稱為PFC階段）是電動汽車充電站的第一級功率轉換
，它將來自電網的輸入交流電源（380–415VAC）轉換為800V左右的穩定直流鏈路電壓。PFC級對於維持正弦輸入電流非常重要
，通常THD<5%。憑借簡單的電路拓撲
、簡單的調製和控製方案

，實現了高效率和高功率密度的可能性。DC/DC級是電動汽車充電站的第二級功率轉換。它將輸入的800V直流鏈路電壓（如果是三相係統）轉換為較低的直流電壓，為電動汽車的蓄電池充電。DC/DC轉換器必須能夠在大範圍內為電池提供額定功率
，並能夠在恒定電流和恒定電壓模式下為電池充電，具體取決於電池的荷電狀態（SoC）。

TI的(de)方(fang)案(an)是(shi)通(tong)過(guo)在(zai)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)操(cao)作(zuo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)，從(cong)而(er)有(you)助(zhu)於(yu)實(shi)現(xian)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。其(qi)中(zhong)涉(she)及(ji)的(de)產(chan)品(pin)和(he)技(ji)術(shu)包(bao)括(kuo)：嵌入式處理技術
，比如C2000實時微控製器
，以及隔離柵極驅動器和完全集成的氮化镓（GaN）電源設備等。GaN技術能夠在多電平功率拓撲中以更高的開關頻率工作，因此能夠比傳統的矽基材料更快
、genggaoxiaodichongdian。zheyiweizhegongchengshikeyizaidianlixitongzhongshejigengxiaodecitie，congerjiangdishiyongtongheqitayuancailiaodezujiandechengben。ciwai
，duojituopukeyigenggaoxiao，congerjiangdisanrehuolengquesuoxudegonglv。suoyouzhexiedouyouzhuyujiangdidiandongqichechezhudezongtiyongyouchengben。

02 英飛淩超快速直流充電係統

如果能量轉換效率達到99%甚(shen)至(zhi)以(yi)上(shang)的(de)話(hua)，降(jiang)溫(wen)就(jiu)變(bian)得(de)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)。英(ying)飛(fei)淩(ling)認(ren)為(wei)現(xian)代(dai)化(hua)的(de)功(gong)率(lv)芯(xin)片(pian)是(shi)其(qi)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)。這(zhe)些(xie)芯(xin)片(pian)現(xian)在(zai)具(ju)備(bei)了(le)幾(ji)年(nian)前(qian)無(wu)法(fa)想(xiang)象(xiang)的(de)效(xiao)率(lv)水(shui)平(ping)。英(ying)飛(fei)淩(ling)開(kai)發(fa)的(de)高(gao)效(xiao)能(neng)碳(tan)化(hua)矽(gui)（SiC）模mo塊kuai
，已yi經jing在zai太tai陽yang能neng這zhe個ge對dui高gao效xiao能neng要yao求qiu同tong樣yang嚴yan苛ke的de行xing業ye占zhan據ju了le一yi席xi之zhi地di。現xian在zai，英ying飛fei淩ling又you將jiang這zhe些xie高gao效xiao電dian路lu應ying用yong到dao了le電dian動dong汽qi車che領ling域yu。高gao功gong率lv充chong電dian係xi統tong的de目mu標biao是shi縮suo短duan充chong電dian時shi間jian
，以yi使shi電dian動dong汽qi車che達da到dao能neng夠gou與yu燃ran油you車che相xiang提ti並bing論lun的de程cheng度du。借jie助zhu高gao達da350kW的大功率直流充電係統
，續航200公裏需要充電大約7分鍾，這種高效、快速且易用的充電方式將有助於消除人們的“續航裏程焦慮”。采用英飛淩技術的充電樁可將充電時間從原本的三小時縮短到了幾分鍾。

對於50kW至350kW的直流電動汽車充電器而言，這種功率類別采用的常見策略是使用功率模塊而非分立器件。基於IGBT的解決方案采用EconoPACK和EconoDUAL，適用於Vienna整流器和AFE以及交流-直流轉換，通常在約20 kHz 下運行。CoolSiC Easy模塊可使交流-直流轉換器級在約40kHz至50kHz下運行。CoolSiC也是直流-直流級的首選器件，可提高開關頻率

，從而減小整體係統尺寸並實現更高效率。

其中，英飛淩EconoDUAL3係列產品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級
，以及從100A到900A的完整電流範圍。該模塊通過與最新一代TRENCHSTOP IGBT7技術相結合
，使得該1200V產品係列的額定電流值從600A擴展到高達900A。模塊的對稱設計使得並聯運行時IGBT半橋之間的均流得到優化。

圖4：采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3

（圖源：Infineon）

對於使用CoolSiC MOSFET的轉換器
，其開關頻率增加可導致磁性組件體積和重量顯著減少
，最多可減少25%，大大降低了應用成本。經過優化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在達到最低應用損耗和最高運行可靠性方麵表現出色。這款碳化矽MOSFET采用TO247 4引腳封裝
，可降低柵極電路的寄生源電感影響，從而實現更快速的開關並提升效率。

四大創新技術
，讓電動汽車充電更給力

快速充電、聯lian網wang汽qi車che和he智zhi能neng充chong電dian是shi近jin年nian來lai加jia速su電dian動dong汽qi車che在zai世shi界jie各ge地di普pu及ji的de幾ji項xiang關guan鍵jian技ji術shu。接jie下xia來lai，還hai有you哪na些xie重zhong大da創chuang新xin技ji術shu將jiang進jin一yi步bu推tui動dong電dian動dong汽qi車che市shi場chang的de發fa展zhan呢ne？仔zai細xi分fen析xi之zhi後hou，我wo們men認ren為wei下xia麵mian這zhe些xie技ji術shu將jiang對dui電dian動dong汽qi車che的de大da規gui模mo采cai用yong產chan生sheng較jiao大da影ying響xiang，並bing將jiang在zai未wei來lai幾ji年nian重zhong塑su電dian動dong汽qi車che市shi場chang。

雙向充電技術

汽車技術的最新趨勢是車到電網（V2G）的概念，它允許能量從電池流向電網，以在車輛停放或不使用時保持電網的穩定性。這也是時下行業熱門的雙向充電（Bidirectional charging）技術。

與傳統的單向充電器相比，雙向充電是汽車充電技術的重大突破。過去，由於成本高
、體積過大，這項技術僅用於具體的試點項目。經過一係列的技術改進
，現在的雙向充電器變得更便宜
、更小、更(geng)高(gao)效(xiao)。借(jie)助(zhu)雙(shuang)向(xiang)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)電(dian)池(chi)將(jiang)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)儲(chu)能(neng)點(dian)，對(dui)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)駕(jia)駛(shi)員(yuan)乃(nai)至(zhi)公(gong)用(yong)事(shi)業(ye)公(gong)司(si)都(dou)有(you)好(hao)處(chu)。事(shi)實(shi)上(shang)，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)最(zui)終(zhong)可(ke)能(neng)成(cheng)為(wei)脫(tuo)碳(tan)電(dian)網(wang)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)。在(zai)Wallbox公司所作的電動汽車影響力調查中
，75%的受訪者表示認可這項技術的應用前景。現在看來，雙向充電仍處在起步階段，隨著技術的進步，它的潛力會越來越大。

改進的電池技術

電池技術在過去十年中有了顯著改善，價格也大幅下調，2010年到2018年期間，鋰離子電池價格下降了約85%。不過
，電池技術仍需進一步改進，其目標是為更便宜的電動汽車車型配備更優的續航裏程。這其中
，電池效率與成本比是關鍵。

現在，大多數電動汽車使用的都是鋰離子電池。更高能量密度

、更安全、更(geng)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)電(dian)池(chi)更(geng)能(neng)消(xiao)除(chu)人(ren)們(men)對(dui)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)裏(li)程(cheng)焦(jiao)慮(lv)。在(zai)此(ci)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)延(yan)長(chang)壽(shou)命(ming)和(he)續(xu)航(hang)裏(li)程(cheng)的(de)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)開(kai)始(shi)進(jin)入(ru)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)市(shi)場(chang)。與(yu)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)6年壽命相比，固態電池的平均壽命約在10年以上。隨著氫燃料電池的加入
，最終哪種電池將在應用中脫穎而出目前還無法做出判斷，不過，隻要它能帶來更大的容量、更大的續航裏程和更低的價格
，電動汽車行業都會受益於此，並進一步提高所占市場份額。

智能充電技術

智zhi能neng充chong電dian背bei後hou的de理li念nian很hen簡jian單dan，它ta定ding義yi的de所suo有you方fang麵mian都dou歸gui結jie為wei能neng源yuan消xiao耗hao。智zhi能neng充chong電dian的de最zui終zhong目mu標biao是shi在zai為wei電dian動dong汽qi車che充chong電dian的de同tong時shi優you化hua能neng源yuan使shi用yong。為wei了le實shi現xian這zhe一yi目mu標biao，與yu傳chuan統tong（或非智能）充電器不同，智能充電需要與電動汽車本身、充電站和能源供應商進行數字通信以及數據交換
，正是這種工作和收費方式贏得了“智能”稱號。智能充電的總體效果就是以一種更便宜、更節能、可持續的方式為電動汽車“加滿油”，同時有助於延長電池的使用壽命。

汽車製造技術

改gai進jin的de電dian池chi技ji術shu是shi增zeng加jia電dian動dong汽qi車che需xu求qiu的de關guan鍵jian一yi步bu
，電dian動dong汽qi車che的de製zhi造zao技ji術shu同tong樣yang是shi讓rang大da眾zhong願yuan意yi選xuan擇ze電dian動dong汽qi車che的de重zhong要yao一yi環huan。簡jian而er言yan之zhi
，規gui模mo經jing濟ji、漸進式改進和生產技術的重大創新對於汽車行業跟上電動汽車快速增長的需求至關重要。

特(te)斯(si)拉(la)等(deng)公(gong)司(si)已(yi)經(jing)證(zheng)明(ming)
，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)可(ke)以(yi)在(zai)未(wei)來(lai)幾(ji)十(shi)年(nian)逐(zhu)步(bu)取(qu)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)驅(qu)動(dong)汽(qi)車(che)。得(de)益(yi)於(yu)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)
，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)正(zheng)在(zai)接(jie)管(guan)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)，改(gai)進(jin)的(de)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)將(jiang)使(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)比(bi)汽(qi)油(you)車(che)更(geng)便(bian)宜(yi)
、更具吸引力。

根據國際能源署（IEA）的報告，2021年第一季度電動汽車（EV）銷量同比增加約140%。隨著各國政府致力於實現可持續發展目標，汽車行業計劃到2025年投資超過3300億美元
，以推進汽車電氣化

，向電動汽車的轉型似乎不可避免。

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