今年3月以來，隨著俄烏正式開戰，國際燃油價格一路上漲，屢創新高。受此影響，市場狀況良好的新能源汽車更受消費者關注。事實上，電動汽車（EV）混合動力汽車（HEV）出現主要是為了環保。然而，令人驚訝的是，由區域沖突引發的大規模區域能源危機也可能成為影響新能源汽車產業發展的誘因。
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因此，專家預測，未來十年，電動汽車的市場表現將更加突出，甚至目前討論的話題也不再是電動汽車是否最終會接管汽車行業，而是何時實現。Wallbox幾乎所有受訪者都認為，到2030-2040年，電動汽車將占據汽車市場的主導地位。
為什么不買電動車呢？
從環境保護和智能的角度來看，電動汽車應該是購買汽車的首選。然而，事實并非如此。因為人們普遍認為先，電動汽車在價格上沒有太大的競爭優勢；其次，交流樁數量不足，充電時間長，充電過程耗時費力，但里程沒有達到一般預期。
圖1：從家用插座到超高功率充電樁的充電時間比較
（圖源：Infineon）
隨著充電基礎設施的不斷建設、快速充電樁的開發和高功率密度電池的使用，這種情況將成為過去。采用新材料和新技術用進一步提高了電動汽車電池的容量和功率密度，鋰離子電池的容量是鉛電池的7倍。另據Grand View Research預計2020年全球電動汽車充電基礎設施市場規模為150億美元，預計2021-2028年復合年增長率將達到33.4%。電動汽車充電設備在商業場所的市場滲透率明顯高于住宅場所。隨著電動汽車的普及，有利于能源優化的快速充電樁甚至智能充電站的數量也將顯著增加。
快速充電解決方案的不斷進化
快速、經濟、安全、可靠是電動汽車充電解決方案的重要考慮因素。在設計電動汽車直流充電樁時，經常滿足這些條件：增加輸出功率，縮短充電時間，提高充電站設定尺寸內的功率密度，增加負荷，降低功耗，降低每瓦電能的設計成本。因此，設計工程師必須克服以下技術挑戰：
一是功耗和散熱。真正的快速充電允許電池高達350kW充電功率。以此計算，97%的效率意味著9kW功率損耗。在指定的高功率水平下向電動汽車供電會造成大量的損耗和高溫，可能會對設備造成損壞。
二是電池尺寸與充電電流的比例平衡。英飛凌在給汽車電池充電時有一個計算i例如，自2016年以來，其電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah理論上，電池連續充電需要一個小時。在目前400V在正常電壓下，一小時內為100Ah電池充電需要40左右kW充電功率。這只是續航約200公里所需的電量，不能算是真正的快充。要進一步縮短充電時間，必須增加充電電流，修改充電樁的任何參數都需要多方面權衡。
三是高功率輸出的安全問題。綜合充電標準（CCS）允許輸出電壓超過5000V，因此，只有訓練有素的專業人員才能操作，對統一充電插頭的材料和技術要求也很高。
面對這些問題，半導體技術是使電動汽車快速充電更可持續的關鍵。
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，世界各地的充電基礎設施系統越來越節能。現實情況是，新電動汽車的續航里程和電池容量都高于前代車型，因此迫切需要開發新的快速直流充電解決方案，以滿足快速充電的需要。TI這些智能高效的電源模塊可以作為快速直流充電樁設計的一部分。
圖2是直流充電樁的典型框圖。考慮到將轉換器堆放在車內會使車輛變得笨重，這些堆疊式變流器通常放置在車輛外部，成為電動汽車充電樁的一部分。充電樁通過車載充電器直接連接到車輛電池。直流充電樁是一種L3充電器可滿足120-240kW范圍內的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內將電池充電到80%的荷電狀態（SoC）。為實現這種高功率水平，TI采用可堆疊模塊化電源轉換器。
圖2：直流充電樁的典型框圖
（圖源：TI）
，直流充電樁中的電源模塊集成在充電樁中AC/DC電源級和DC/DC電源級組成。每個轉換器都與功率級有關，由功率開關、門驅動、電流、電壓傳感和控制器組成。圖3為從TI在電動汽車充電站電源模塊網頁上獲得的電動汽車充電樁電源模塊系統級框圖。連接到輸入端的三相交流電源AC/DC功率級。該模塊將輸入的交流電壓轉換為約800 V固定直流電壓作為固定直流電壓DC/DC輸入功率級。另外，驅動功率級MOSFET柵極驅動器也是功率級的一部分。每個功率級都有一個單獨的控制器，負責處理模擬信號并提供快速控制動作。此外，還有不同的溫度傳感模塊，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冷卻散熱器風扇、隔離放大器等轉換器。
圖3：電動汽車充電樁電源模塊系統級框圖
（圖源：TI）
正如前面提到的，直流充電樁需要大功率轉換器，以便在30分鐘內充電到80%。這些快速充電應用程序需要模塊化的電源轉換器，并聯以滿足不同的功率水平，從而實現快速充電。能量密度和系統效率是快速充電樁最重要的參數。如果我們能在相同尺寸下將功率輸出翻倍，將大大節省成本，并有助于快速充電。
對于給定的應用，更高的系統效率意味著更低的損耗和更小的散熱器解決方案。TI在這方面充分考慮了參考設計。AC/DC階段(也叫PFC階段)是電動汽車充電站的第一級功率轉換，將來自電網的輸入交流電源(380–415VAC）轉換為800V穩定的直流電路電壓。PFC維持正弦輸入電流通常非常重要THD<5%。實現高效率、高功率密度的可能性，具有簡單的電路拓撲、簡單的調制和控制方案。DC/DC一級是電動汽車充電站的二級功率轉換。它將輸入的800V直流電路電壓(如果是三相系統)轉換為較低的直流電壓，為電動汽車的電池充電。DC/DC轉換器必須能夠在恒定電流和恒定電壓模式下為電池提供額定功率于電池的充電狀態（SoC）。
TI該方案是通過在高開關頻率下操作轉換器來實現的，降低磁性元件的尺寸，從而有助于實現高功率密度。涉及的產品和技術包括嵌入式處理技術，如C2000實時微控制器、隔離柵極驅動器和完全集成的氮化鎵（GaN）電源設備等。GaN該技術可以在多電平功率拓撲中以更高的開關頻率工作，從而比傳統的硅基材料充電更快、更高效。這意味著工程師可以在電力系統中設計較小的磁鐵，從而降低使用銅和其他原材料的成本。另外，多級拓Lumissil代理撲可以更高效地降低散熱或冷卻所需的功率。所有這些都有助于降低電動汽車車主的整體所有權成本。
02 英飛凌超快直流充電系統
若能量轉換效率達到99%甚至更高，則冷卻相對簡單。英飛凌認為現代功率芯片是關鍵。這些芯片現在有幾年前無法想象的效率。英飛凌開發的高效碳化硅（SiC）該模塊在太陽能這個對高效率要求同樣嚴格的行業中占有一席之地。現在，英飛凌已經將這些高效電路應用到電動汽車領域。高功率充電系統的目標是縮短充電時間，使電動汽車能夠與燃油汽車相比。借助高達350kW這種高效、快速、易用的充電方式將有助于消除人們的里程焦慮。英飛凌技術的充電樁可將充電時間從原來的三小時縮短到幾分鐘。
對于50kW至350kW對于直流電動汽車充電器來說，這種功率類別的常見策略是使用功率模塊而不是分立器件。基于IGBT采用的解決方案EconoPACK和EconoDUAL，適用于Vienna整流器和AFE以及-直流轉換通常在20左右 kHz 下運行。CoolSiC Easy交流-直流轉換器等級約為40kHz至50kHz下運行。CoolSiC也是直流-直流級的首選設備，可以提高開關頻率，從而降低整個系統的尺寸，實現更高的效率。
英飛凌EconoDUAL3系列產品可支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級和1000A到900A完整的電流范圍。該模塊與最新一代通過TRENCHSTOP IGBT7技術的結合使1200V產品系列的額定電流值為600A擴展到高達900A。模塊的對稱設計使并聯運行IGBT優化了半橋之間的均流。
圖4：采用TRENCHSTOP IGBT7的EconoDUAL 3
（圖源：Infineon）
對于使用CoolSiC MOSFET開關頻率的增加可以顯著降低磁組件的體積和重量，最多可以降低25%，大大降低應用成本。經過優化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在最低應用損耗和最高運行可靠性方面表現良好。這款碳化硅MOSFET采用TO247 4引腳包裝可以減少柵極電路的寄生源電感，從而實現更快的開關，提高效率。
四大創新技術使電動汽車充電更加強大
快速充電、互聯網汽車和智能充電是近年來加速電動汽車在世界各地普及的幾項關鍵技術。接下來，哪些主要的創新技術將進一步促進電動汽車市場的發展？經過仔細分析，我們認為以下技術將對電動汽車的大規模應用產生更大的影響，并將在未來幾年重塑電動汽車市場。
雙向充電技術
汽車技術的最新趨勢是汽車到電網（V2G）允許能量從電池流向電網的概念使用時保持電網的穩定性。這也是當今行業流行的雙向充電（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，由于成本高、體積大，該技術僅用于特定的試點項目。經過一系列的技術改進，雙向充電器變得更便宜、更小、更高效。借助雙向充電技術，電動汽車的電池將轉化為儲能點，有利于電動汽車司機甚至公用事業公司。事實上，電動汽車最終可能成為脫碳電網的關鍵部件。在Wallbox在公司對電動汽車影響力的調查中，75%的受訪者表示認可該技術的應用前景。雙向充電仍處于起步階段，隨著技術的進步，其潛力將越來越大。
電池技術的改進
在過去的十年里，電池技術有了顯著的改進，價格也大幅下降。2010年至2018年，鋰離子電池價格下降約85%。然而，電池技術仍需進一步改進，其目標是為更便宜的電動汽車配備更好的里程。其中，電池效率和成本比是關鍵。
目前，大多數電動汽車使用鋰離子電池。能量密度高、安全性高、成本低的電池可以消除人們對電動汽車的里程焦慮。能有效延長壽命和續航里程的固態電池開始進入電動汽車市場。固態電池的平均壽命比鋰離子電池的6年壽命大約超過10年。隨著氫燃料電池的加入，無法判斷哪種電池最終會在應用中脫穎而出。然而，只要能帶來更大的容量、更大的里程和更低的價格，電動汽車行業就會受益于此，進一步提高其市場份額。
智能充電技術
智能充電背后的概念非常簡單，其定義的各個方面都歸因于能源消耗。智能充電的最終目標是優化電動汽車的能源使用。為了實現這一目標，與傳統（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和數據交換。正是這種工作和收費方式贏得了智能的稱號。智能充電的整體效果是以更便宜、更節能、更可持續的方式為電動汽車加油，有助于延長電池的使用壽命。
汽車制造技術
電池技術的改進是增加電動汽車需求的關鍵一步，電動汽車制造技術也是公眾選擇電動汽車的重要組成部分。簡而言之，規模經濟、逐步改進和生產技術的重大創新對汽車行業跟上電動汽車快速增長的需求至關重要。
特斯拉和其他公司已經證明，電動汽車可以在未來幾十年逐漸取代傳統的化石燃料驅動汽車。由于創新技術，電動汽車正在接管汽車行業，改進的電池技術將使電動汽車比汽油汽車更便宜、更有吸引力。
根據國際能源署（IEA）2021年第一季度電動汽車報告（EV）銷量同比增長約140%。隨著各國政府致力于實現可持續發展目標，汽車行業計劃到2025年投資3300多億美元，推動汽車電氣化，向電動汽車轉型似乎不可避免。
