電動汽車充電站市場趨勢和技術趨勢

摘要

近年，汽車（EV）的電氣化正在世界各地迅速發展，充電站的普及對于電動汽車的發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發展社會做出貢獻。

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。縮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，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，損耗變為8kW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****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周期并降低客戶的研發成本。

電動汽車直流快速充電站解決方案請查看：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。可再生能源市場的擴大、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發展社會做出貢獻。