電動(dòng)汽車(chē)充電：技術(shù)和智能工程將如何使我們的電動(dòng)未來(lái)成為可能

與內(nèi)燃機(jī)車(chē)相比，目前電動(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)40%，從2017年的420萬(wàn)輛增長(zhǎng)到3030萬(wàn)輛。報(bào)告中的數(shù)字雖然各不相同，但所有人都預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年，我們將看到電動(dòng)車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的驚人增長(zhǎng)。今天改用電動(dòng)汽車(chē)就像是走在一條安靜的鄉(xiāng)間小路上，但到了明天那條小路將變成一條六車(chē)道的高速公路。

轉(zhuǎn)換的速度取決于許多因素。 當(dāng)前，最大的兩個(gè)限制是缺乏車(chē)輛充電基礎(chǔ)設(shè)施以及駕駛員充電所需的時(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)并不明顯，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)不使用直流充電，也因?yàn)椴⒎撬械碾妱?dòng)汽車(chē)都能使用快速充電。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2023年，將有2000個(gè)直流快速充電站，其中真正的充電功率超過(guò)50kw的快速充電站很少。

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)量巨大，即使單位充電站數(shù)量很少，到2030年，功率半導(dǎo)體器件的總市場(chǎng)也可能達(dá)到1.2億個(gè)以上。充電系統(tǒng)的增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將在2030年左右爆炸式增長(zhǎng)，因此功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)元件的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

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

推動(dòng)增長(zhǎng)

隨著美國(guó)、中國(guó)和歐洲領(lǐng)導(dǎo)人推動(dòng)向混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放和提高燃油效率標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，政府監(jiān)管和立法正在推動(dòng)這一增長(zhǎng)。

消費(fèi)者似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好了。 一次充電的有限行駛里程一直是消費(fèi)者采用電動(dòng)汽車(chē)的挑戰(zhàn)。 但是電池技術(shù)在過(guò)去幾年中一直在進(jìn)步。 電池充電容量和功率密度在增加，而電池成本卻在下降。 隨著電池變得更輕，更強(qiáng)大，我們看到了續(xù)航里程達(dá)300英里甚至更多的新型電動(dòng)汽車(chē)，非常接近內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的行駛范圍。 這激發(fā)了采用率。

另一項(xiàng)有用的技術(shù)是碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體器件和模塊的出現(xiàn)。50kW及以上的電動(dòng)汽車(chē)充電站需要高效率的功率轉(zhuǎn)換。功率損耗的每一個(gè)百分比都給如何處理散熱帶來(lái)了工程上的挑戰(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汽車(chē)充電。 這涉及極高的電流水平，因此會(huì)導(dǎo)致充電電纜的損耗而使其過(guò)熱。 這意味著將需要冷卻電纜設(shè)計(jì)，這是老一代充電站所不需要的復(fù)雜性。

物理學(xué)正在推動(dòng)業(yè)界尋找在功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供更高功率效率的新技術(shù)。設(shè)計(jì)工程師們正在接受寬帶隙（WBG）功率半導(dǎo)體器件，因?yàn)檫@些技術(shù)降低了功率損耗。特別是碳化硅器件變得非常可靠，價(jià)格也更便宜，這有助于向電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)變。

圖2. 與Littelfuse的碳化硅 MOSFET和肖特基二極管一樣，通過(guò)提供低功率開(kāi)關(guān)損耗而設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車(chē)充電應(yīng)用