【導(dǎo)讀】在電動(dòng)汽車中，快速充電技術(shù)需要將車輛電池的充電時(shí)間從幾個(gè)小時(shí)縮短到十幾分鐘甚至更短的時(shí)間。直流快速充電是電動(dòng)汽車目前很高效的快充技術(shù)，此時(shí)充電站通過(guò)直接向電池提供直流電，消除了從交流電到直流電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，使充電過(guò)程更快。
如今，電動(dòng)汽車越來(lái)越受歡迎，隨之而來(lái)的是對(duì)更高效充電解決方案的需求。然而，電動(dòng)汽車的快速充電與智能手機(jī)等小型消費(fèi)電子產(chǎn)品的快速充電有很大不同。
在電動(dòng)汽車中，快速充電技術(shù)需要將車輛電池的充電時(shí)間從幾個(gè)小時(shí)縮短到十幾分鐘甚至更短的時(shí)間。直流快速充電是電動(dòng)汽車目前很高效的快充技術(shù)，此時(shí)充電站通過(guò)直接向電池提供直流電，消除了從交流電到直流電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，使充電過(guò)程更快。
直流快速充電也稱為3級(jí)充電，該技術(shù)可謂是電動(dòng)汽車充電技術(shù)游戲規(guī)則的改變者。與傳統(tǒng)的交流充電需要數(shù)小時(shí)才能為電動(dòng)汽車充滿電不同，直流快速充電通常可以在18分鐘內(nèi)將電動(dòng)汽車的電池充電至80%的容量。這種充電方式非常適合那些需要長(zhǎng)途開車或在匆忙中需要快速充電才能繼續(xù)行駛的駕駛員。
800V快充：大幅縮減電動(dòng)汽車充電時(shí)間
快速充電站的建立對(duì)電動(dòng)汽車的廣泛采用至關(guān)重要。為了確保不同電動(dòng)汽車型號(hào)和充電站之間的兼容性和互操作性，行業(yè)制定了各種直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)定義了充電系統(tǒng)的物理連接器、通信協(xié)議和電力輸送能力。
目前，全球主要使用三種直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)：CCS（聯(lián)合充電系統(tǒng)）、CHAdeMO和NACS（北美充電標(biāo)準(zhǔn)）。CCS通常被歐洲和北美制造商使用，而CHAdeMO在日本制造商中應(yīng)用更為普遍，NACS開始時(shí)是專為特斯拉汽車開發(fā)的。現(xiàn)在，為了讓車輛與更廣泛的充電站兼容，很多電動(dòng)汽車制造商也開始采用NACS。而特斯拉也開始提供適配器，允許其車輛在非特斯拉直流快速充電站使用CCS標(biāo)準(zhǔn)充電。
與傳統(tǒng)的交流充電方法相比，直流快速充電非常突出的優(yōu)勢(shì)是能夠快速為電動(dòng)汽車的電池充電，與常規(guī)的1級(jí)或2級(jí)充電器相比，它可以在更短的時(shí)間內(nèi)提供80%的充電，大大縮短了電動(dòng)汽車充電所需的時(shí)間，方便長(zhǎng)途旅行，有助于緩解里程焦慮。
市場(chǎng)上的直流充電站可以提供50KW至150KW的功率。通常150KW的充電器額定電壓為400V，大多數(shù)3級(jí)充電器在400V系統(tǒng)上運(yùn)行。英飛凌的高性價(jià)比分立式產(chǎn)品，例如600V CoolMOS超結(jié)MOSFET P7和CFD7系列、650V IGBT TRENCHSTOP 5等就非常適合功率高達(dá)150KW的直流電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)。
不過(guò)，以特斯拉汽車的400V“超級(jí)充電站”（Supercharger）為例，雖然大幅縮短了EV充電時(shí)間，但仍然沒(méi)有達(dá)到在12到15分鐘內(nèi)充滿80%電量這個(gè)目標(biāo)。
因此，導(dǎo)入電壓高達(dá)800V的架構(gòu)便成為EV發(fā)展的大勢(shì)所趨。配備800V平臺(tái)的電動(dòng)汽車可以在10分鐘充電時(shí)間內(nèi)比原來(lái)增加約160千米的續(xù)航里程，這比標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)充電器快約30倍。除了快速充電，800V平臺(tái)帶來(lái)的好處還包括更輕的車身重量以及更高的熱效率。
對(duì)于EV行業(yè)而言，800V平臺(tái)并不是橫空出世的技術(shù)，它的首次引入是在E級(jí)方程式全球電動(dòng)錦標(biāo)賽的系列賽車中，這些賽車對(duì)效率和熱損耗有著極為苛刻的要求。800V平臺(tái)之所以會(huì)有這些優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)而言之：電壓越高，轉(zhuǎn)換效率就越高，充電時(shí)間也就越短。同時(shí)，更高的電壓和更低的電流意味著可以使用更細(xì)的電線傳輸相同的功率，從而減輕了電機(jī)本身的重量。
以保時(shí)捷Taycan為例，在800V 270KW的3級(jí)充電器上，它可以在22.5分鐘內(nèi)將電池電量從5%充電至80%，而在400V 50KW的3級(jí)的充電器上，同樣的充電量需要90分鐘。
SiC器件：800V直流快充發(fā)展的源動(dòng)力
在實(shí)際應(yīng)用中，800V平臺(tái)在EV行業(yè)并未普及，目前只有部分高端品牌車型采用了這個(gè)新架構(gòu)，可以說(shuō)是高端車型俱樂(lè)部的“入場(chǎng)券”。保時(shí)捷Taycan是第一款采用800V架構(gòu)的電動(dòng)汽車，奧迪e-tron GT、現(xiàn)代Ioniq 5和起亞EV6都是基于800V平臺(tái)的電動(dòng)汽車。通用汽車已經(jīng)宣布將為其新的Ultium電池架構(gòu)提供800V選項(xiàng)。新亮相的小米SU7，其電池支持800V高壓平臺(tái)超級(jí)快充，充電5分鐘續(xù)航200公里、充電15分鐘續(xù)航可達(dá)510公里。全球汽車解決方案供應(yīng)商德?tīng)柛ＵJ(rèn)為，接下來(lái)大部分高端電動(dòng)汽車都將采用800V架構(gòu)。
根據(jù)J.D.Power有關(guān)2023年電動(dòng)汽車的研究報(bào)告，近一半的美國(guó)消費(fèi)者表示，不購(gòu)買電動(dòng)汽車的原因是目前充電的途徑和快速充電的能力難以保證與傳統(tǒng)燃油車擁有同樣輕松的駕駛體驗(yàn)。更大功率的直流快充無(wú)疑是一個(gè)很好的解決方案。基于800V平臺(tái)的直流快充能輸出高達(dá)350KW的功率，大幅壓縮了電動(dòng)汽車電池的充電時(shí)長(zhǎng)。
然而，若要達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，傳統(tǒng)的硅基開關(guān)器件因性能有限，即使是極快的硅基充電器，仍然難以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅（SiC）擁有高電壓耐受性、高功率密度、低導(dǎo)通電阻以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性，這些獨(dú)特的物理特性使之能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的開關(guān)速度和更高的功率傳輸。如果說(shuō)800V架構(gòu)是電動(dòng)汽車技術(shù)的一個(gè)重要突破，那么SiC就是實(shí)現(xiàn)這一突破的硬件保障。
通過(guò)用SiC升級(jí)取代傳統(tǒng)的硅元件，直流快充的設(shè)計(jì)可以在系統(tǒng)效率、功率密度和可靠性方面取得顯著提高。此外，SiC還實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，包括更少的組件、降低的系統(tǒng)成本、更高的效率、更小的尺寸以及更好的車輛到電網(wǎng)（V2G）雙向充電能力，與硅基IGBT解決方案相比，系統(tǒng)尺寸將減少40%，重量減輕52%。
推動(dòng)SiC應(yīng)用落地，半導(dǎo)體廠商在行動(dòng)
AIMZHN120R160M1T屬于英飛凌SiC產(chǎn)品系列1,200V CoolSiC MOSFET家族，是一款適用于汽車應(yīng)用的1,200V SiC- MOSFET分立器件，可在高頻下運(yùn)行，功率密度高且開關(guān)損耗低，有效提高了800V電池充電系統(tǒng)的效率。該器件的RDS(on)僅有160mΩ，具有一流的開關(guān)性能、高功率密度、卓越的效率、雙向充電能力，是電動(dòng)汽車車載充電器（OBC）設(shè)計(jì)的理想解決方案。
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，英飛凌還專門備有CoolSiC MOSFET功率模塊，這些模塊可大幅節(jié)省逆變器設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)使得直流快充系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前所未有的效率和功率密度。以FF2MR12KM1H為例，這是一款適用于電動(dòng)汽車快速充電的1,200 V CoolSiC MOSFET半橋模塊，采用了英飛凌著名的62mm封裝和M1H芯片技術(shù)，電流密度高、開關(guān)損耗低、尺寸小巧，性能優(yōu)異，盡可能地減少了對(duì)散熱的需求。
圖1：可用于800V電動(dòng)汽車快充的1200V CoolSiC MOSFET半橋模塊（圖源：Infineon）
據(jù)英飛凌新公布的消息，公司將為小米汽車新發(fā)布的SU7智能電動(dòng)汽車供應(yīng)SiC HybridPACK Drive G2 CoolSiC功率模塊及芯片產(chǎn)品直至2027年。HybridPACK Drive G2是英飛凌去年剛剛推出的一款新型汽車功率模塊，具有不同的額定電流和電壓等級(jí)（750V和1200V），它傳承了成熟的HybridPACK Drive G1 集成B6 封裝概念，在相同尺寸下可擴(kuò)展至更高的功率，在750V和1,200V 電壓等級(jí)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)300KW的功率，基于該功率模塊的牽引逆變器進(jìn)一步增加了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。小米SU7 Max版將采用兩顆1,200V HybridPACK Drive G2 CoolSiC模塊。
圖2：可用于電動(dòng)汽車牽引逆變器的HybridPACKDrive_G2功率模塊底視圖（圖源：Infineon）
高速高壓二極管是電動(dòng)汽車快速充電系統(tǒng)的另一關(guān)鍵部件，常常用于功率因數(shù)校正電路和逆變器中。SiC材料能以具有快速器件結(jié)構(gòu)特征的肖特基勢(shì)壘二極管（SiC SBD）結(jié)構(gòu)制作出1200V以上的高耐壓二極管。通過(guò)將快速PN結(jié)二極管（FRD）替換為SiC SBD，可大幅減小反向恢復(fù)損耗，實(shí)現(xiàn)電源的高效率，并且通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電感等被動(dòng)器件的小型化。
ROHM公司的SiC SBD具有很小的總電荷（Qc）和低開關(guān)損耗，正向電壓僅為VF＝1.35V @25℃、1.55V @150℃，被廣泛用于電源的PFC電路中。目前，ROHM的SiC SBD產(chǎn)品線主要包括650V、1,200V、1,700V耐壓等產(chǎn)品。該公司第三代SCS3系列的SBD采用其專有的SiC結(jié)構(gòu)，VF特性得以進(jìn)一步改善，150℃時(shí)的VF成功降低至1.44V，而且抗浪涌電流性能IFSM也進(jìn)一步提高。
圖3：ROHM專為汽車應(yīng)用推出的1200V SiC SBD器件SCS210KNHR大幅降低了開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了高速開關(guān)（圖源：ROHM）
未來(lái)展望
未來(lái)十年，電動(dòng)汽車電力電子產(chǎn)品的需求將大幅增長(zhǎng)，受純電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的推動(dòng)，IDTechEx預(yù)測(cè)該市場(chǎng)全球復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到15%。眼下，電動(dòng)汽車的重點(diǎn)挑戰(zhàn)之一是充電時(shí)長(zhǎng)以及快速充電系統(tǒng)的可用性。電池組是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，它需要儲(chǔ)存大量能量來(lái)為汽車提供動(dòng)力。
截至2022年底，大多數(shù)公共直流快速充電器都是為400V電池結(jié)構(gòu)的汽車制造的，這也是多年來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，但它距離實(shí)現(xiàn)在12到15分鐘內(nèi)充滿80%電量這個(gè)目前可被消費(fèi)者接受的目標(biāo)仍存在較大差距。
好在新的解決方案——800V高性能電動(dòng)汽車直流配電系統(tǒng)逐漸在行業(yè)內(nèi)鋪開。該系統(tǒng)能以極小的電壓降提供高功率，從而實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率。加之800V平臺(tái)還不太容易受到熱失控的影響，這意味著它可以在比其他系統(tǒng)更高的溫度下安全運(yùn)行。此外，800V平臺(tái)的可擴(kuò)展性使其很容易地適應(yīng)不同的功率需求。現(xiàn)在，800V架構(gòu)已經(jīng)成為電動(dòng)汽車技術(shù)的一個(gè)重要突破。盡管目前看起來(lái)它貌似是一項(xiàng)只在部分高端車型上使用的“高級(jí)”技術(shù)，實(shí)質(zhì)上它已經(jīng)開始向更主流的汽車品牌擴(kuò)散。
SiC的高頻能力有助于實(shí)現(xiàn)大功率快速充電，縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間。配備SiC的牽引逆變器可大幅提高能效、延長(zhǎng)續(xù)航里程，優(yōu)化電池的利用率，解決電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題。很多高性能電動(dòng)汽車正在受益于基于SiC的800V直流快充方案帶來(lái)的好處。
電動(dòng)汽車制造商、半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)之間的合作進(jìn)一步推動(dòng)了SiC技術(shù)的創(chuàng)新和成本的降低。Research And Markets預(yù)計(jì)，全球電動(dòng)汽車SiC市場(chǎng)有望實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，到2032年，市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到90.312億美元，在2023年至2032年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)33.02%。
在電動(dòng)汽車行業(yè)，SiC正在成為實(shí)現(xiàn)800V甚至更高電壓快速充電的關(guān)鍵技術(shù)。雖然現(xiàn)階段，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基元件的價(jià)格對(duì)SiC的廣泛采用帶來(lái)了不利影響，但隨著應(yīng)用的普及，解決了成本問(wèn)題的SiC器件必將在電動(dòng)汽車的快速發(fā)展中起到巨大的推動(dòng)作用，而電動(dòng)汽車行業(yè)則有望全面進(jìn)入800V平臺(tái)這一新的階段。
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
DigiKey和MediaTek強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，開啟物聯(lián)網(wǎng)邊緣AI和連接功能新篇章
第11講：三菱電機(jī)工業(yè)SiC芯片技術(shù)
用4200A和矩陣開關(guān)搭建自動(dòng)智能的可靠性評(píng)估平臺(tái)
ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
