新能源汽車 - 充電和換電

根據(jù)2022中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇發(fā)布的《中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)洞察報(bào)告2021》，“充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)”和“充電不方便”兩大因素依然是消費(fèi)者使用新能源汽車時(shí)的痛點(diǎn)。并且，報(bào)告指出，越是頻繁駕駛新能源汽車出行的消費(fèi)者，對(duì)于快速充電樁的依賴度越高。

發(fā)展至今，充電問(wèn)題或者說(shuō)是補(bǔ)能問(wèn)題已經(jīng)是新能源汽車領(lǐng)域里一個(gè)老生常談的問(wèn)題。然而隨著政策和產(chǎn)業(yè)布局的變化，這個(gè)問(wèn)題又常有新的延伸。2022年，國(guó)內(nèi)進(jìn)入新能源汽車換電模式高速發(fā)展的元年，換電和充電在新能源汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)上演著“一時(shí)瑜亮”。

充電與換電發(fā)展漫談

根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截至到2022年6月，國(guó)內(nèi)換電站數(shù)量已達(dá)1,582個(gè)。能夠看出，目前新能源汽車換電產(chǎn)業(yè)正在高速地發(fā)展，除了北汽新能源、蔚來(lái)等車企外，中石化、中石油和寧德時(shí)代等都在圍繞換電概念布局“車電分離”，將換電打造成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的新風(fēng)口。

換電之所以能夠高速發(fā)展，一方面是因?yàn)閾Q電使得電動(dòng)汽車補(bǔ)能和傳統(tǒng)燃油車更類似，另一方面在于其催生出一種全新的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。換電實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量電池的集中存儲(chǔ)、集中充電、統(tǒng)一配送，使得車和某一塊電池并不強(qiáng)相關(guān)，這是“車電分離”的關(guān)鍵。車電分離能夠幫助車主節(jié)省一大筆購(gòu)買(mǎi)電池的費(fèi)用，也能夠打消消費(fèi)者對(duì)新能源汽車使用若干年后換電池費(fèi)用高昂的顧慮。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》里的規(guī)劃，2025年我國(guó)配套換電站的需求將超過(guò)28,000座，以2021年1192座為起始點(diǎn)，2021年-2025年期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率接近300%。

目前，換電可分為整包換電和分箱換電兩種方式，由于具備靈活性高的優(yōu)勢(shì)，分箱換電更受產(chǎn)業(yè)界青睞。不過(guò)，目前換電模式整體還存在一些產(chǎn)業(yè)難題。其一是標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，包括電路接口、電池大小/重量計(jì)和緊固件設(shè)計(jì)等，由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，換電模式存在明顯的品牌壁壘；其二是成本高昂，目前市場(chǎng)上的換電站普遍不盈利，且難盈利。

因此，雖然換電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的如火如荼，然而目前新能源汽車主流的補(bǔ)能方式還是充電。現(xiàn)階段，汽車充電樁產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)從跑馬圈地進(jìn)入精細(xì)化經(jīng)營(yíng)，協(xié)同化和互通化成為充電服務(wù)平臺(tái)主要的發(fā)展趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下，充電站開(kāi)始向著“萬(wàn)能充”的模式發(fā)展，并逐漸淘汰功率低的充電樁。

歷經(jīng)數(shù)年，充電樁建設(shè)已經(jīng)有了較為成熟的模式，分為交流電和直流電。其中，交流充電樁主要布局用于慢充，常規(guī)充電時(shí)間在8小時(shí)以上；直流充電樁主要用于快充和超快充，目前前沿方案已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)15分鐘充電80%。根據(jù)國(guó)家能源局的規(guī)劃數(shù)據(jù)，2025年我國(guó)充電樁數(shù)量要滿足超過(guò)2,000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的充電需求，車樁配比為2:1。截止到2022年6月，我國(guó)已經(jīng)累計(jì)建設(shè)充電樁392萬(wàn)臺(tái)。

在技術(shù)突破上，目前800V高壓超充和智能充電樁成為主要的發(fā)展方向。800V高壓超充具有短時(shí)內(nèi)高速充電的特點(diǎn)，可從根本上解決純電車充電緩慢、充電難的問(wèn)題，以市場(chǎng)在售的基于800V高壓SiC平臺(tái)的量產(chǎn)車小鵬G9為例，該車充電5分鐘就可續(xù)航200公里；智能充電樁則在人機(jī)交互和充電控制方面實(shí)現(xiàn)了大的突破，智能充電樁可以根據(jù)充電的不同階段合理調(diào)整充電速度，不僅保證了充電速度，而且可以降低超充對(duì)電池的損害。

當(dāng)然，目前充電樁建設(shè)也存在自己的問(wèn)題，包括早期充電樁功能不全、速度慢，僵尸樁問(wèn)題嚴(yán)重；新建充電樁分布不均勻，運(yùn)營(yíng)管理有待提高等。

綜上所述，無(wú)論是充電還是換電，都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠解決消費(fèi)者心中的部分痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展。對(duì)于從業(yè)者而言，無(wú)論是專攻哪種補(bǔ)能方式，都離不開(kāi)貿(mào)澤電子所售元器件的助力，通過(guò)一站式采購(gòu)的方式，保障各種創(chuàng)新方案順利落地。

讓直流快充更穩(wěn)定高效的 HiPerFET? 功率MOSFET

在電動(dòng)汽車充電方案里，由于非車載充電器在充電樁內(nèi)部已經(jīng)將電流轉(zhuǎn)換為直流電，因此可以直接為電池充電，無(wú)需車端再次轉(zhuǎn)換，也就有了更高的充電效率。在具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET是直流快充的首選方案，相較于同類型的硅方案，功率MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)的效率更高。

IXFP36N60X3是IXYS IXFxN60X X3級(jí)HiPerFET? 功率MOSFET中的一款。該系列功率MOSFET采用電荷補(bǔ)償原理和專有工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)，相較于同類型產(chǎn)品，有著更好的品質(zhì)因數(shù)（導(dǎo)通電阻x柵極電荷）表現(xiàn)。通過(guò)低導(dǎo)通電阻和低開(kāi)關(guān)損耗，在打造直流充電樁等相關(guān)應(yīng)用時(shí)，該系列功率MOSFET能夠幫助實(shí)現(xiàn)更高的效率。同時(shí)，憑借低反向恢復(fù)電荷和時(shí)間，該體二極管能夠在高速開(kāi)關(guān)時(shí)消除所有剩余能量，避免器件出現(xiàn)故障，進(jìn)一步提升了方案的效率水平和安全水平。

此外，IXYS IXFxN60X X3級(jí)HiPerFET? 功率MOSFET還提供其它優(yōu)異的保護(hù)能力，具有抗雪崩能力、出色的dv/dt性能，并可耐受寄生雙極晶體管的電壓尖峰和意外導(dǎo)通引起的器件故障，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的安全性能。

圖3：IXYS IXFxN60X X3級(jí)HiPerFET?功率MOSFET - 最大瞬態(tài)熱阻抗（圖源：Littelfuse）

在打造方案的過(guò)程中，IXYS IXFxN60X X3級(jí)HiPerFET?功率MOSFET提供通孔或表面貼裝，更易于安裝。除了應(yīng)用于直流充電樁，該系列功率MOSFET還可用于開(kāi)關(guān)模式和諧振模式電源、交流和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人和伺服控制等應(yīng)用。

充電和換電都可用的PSR高速方形熔斷器

實(shí)際上，無(wú)論是充電還是換電，核心產(chǎn)品都是電池。而電池作為一種活躍的電化學(xué)品，系統(tǒng)安全防護(hù)就顯得極為重要。在充電樁和換電站給電池補(bǔ)充能量的過(guò)程，如果出現(xiàn)了過(guò)流故障，不僅容易引起電池系統(tǒng)發(fā)生爆燃事件，同時(shí)對(duì)充電系統(tǒng)也有非常大的危害。

Littelfuse PSR高速方形熔斷器采用DIN43653刀片式端子，專為保護(hù)功率半導(dǎo)體器件而設(shè)計(jì)。這些保險(xiǎn)絲不僅能夠提供優(yōu)于同類產(chǎn)品的電流能力，卓越的循環(huán)能力，同時(shí)將極強(qiáng)的電流限制能力與均衡的性能水平完美融合，以滿足保護(hù)敏感的電力電子器件的精確要求。這些保險(xiǎn)絲可用于保護(hù)二極管、三端雙向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET以及其他通常用于功率轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)設(shè)備的固態(tài)器件。

圖5：峰值電流通過(guò)曲線（72型尺寸）（圖源：Littelfuse）

Littelfuse PSR高速方形熔斷器產(chǎn)品系列中的所有熔斷器均標(biāo)配直觀的保險(xiǎn)絲熔斷指示，并可選配外部指示微動(dòng)開(kāi)關(guān)。這些熔斷器除了可用于電動(dòng)汽車充電站和電池保護(hù)應(yīng)用（儲(chǔ)能系統(tǒng)），還可用于加熱器和電源，以及功率轉(zhuǎn)換器件（UPS、逆變器、整流器、驅(qū)動(dòng)器）等。

可用于EV充電的增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動(dòng)器

目前，EV充電在不斷地追求效率，希望純電動(dòng)汽車補(bǔ)能的體驗(yàn)?zāi)軌蚝蛡鹘y(tǒng)燃油車媲美。從最新發(fā)布的前沿車型能夠看到，已經(jīng)有車型能夠?qū)崿F(xiàn)15分鐘從10%電量補(bǔ)充到80%。當(dāng)然，高效的充電樁在電路設(shè)計(jì)上就會(huì)更加復(fù)雜，需要更高效可靠的柵極驅(qū)動(dòng)器。一款合適的驅(qū)動(dòng)器芯片能夠讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)事半功倍。

英飛凌EiceDRIVER?增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC用于驅(qū)動(dòng)MOSFET、IGBT、碳化硅MOSFET以及氮化鎵HEMT。這些驅(qū)動(dòng)器芯片具有出色的保護(hù)性能，提供DESAT、米勒鉗位、MOSFET軟關(guān)閉、IGBT和SiC MOSFET等保護(hù)特性，并且都支持短路鉗位和有源關(guān)斷。借助米勒鉗位和精確短路保護(hù) (DESAT)，可在驅(qū)動(dòng)CoolSiC?SiC MOSFET和TRENCHSTOP?IGBT7時(shí)避免寄生導(dǎo)通和短路，從而實(shí)現(xiàn)出色的應(yīng)用安全性。

在產(chǎn)品選擇上，英飛凌EiceDRIVER? 增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC提供X3模擬系列 (1ED34xx) 和X3數(shù)字系列柵極驅(qū)動(dòng)器IC可供選擇。這些單通道和雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器IC具有9A輸出電流和40Vmax輸出電壓，采用節(jié)省空間的DS0-16小間距寬體封裝，爬電距離為8mm。

在方案設(shè)計(jì)上，1ED34xx提供電阻器可配置性，1ED38xx提供I2C可配置性，在設(shè)計(jì)導(dǎo)入過(guò)程中具有極高靈活性，不僅可以用于EV充電，還可用于1,500VDC太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用，以及UPS、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器、焊接設(shè)備、服務(wù)器和電信系統(tǒng)用電源等其他應(yīng)用。

充電為主、換電為輔的核心旋律

換電模式的理想形態(tài)是電池設(shè)備運(yùn)營(yíng)商的角色就像金融體系中的銀行一樣，貨幣（電池包）的屬性是相同的，因而目前廣泛運(yùn)營(yíng)的換電運(yùn)營(yíng)商需要在電池模塊標(biāo)準(zhǔn)化方面形成統(tǒng)一，包括具體的尺寸和接口，當(dāng)然這需要很長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)化路程。目前，新能源汽車補(bǔ)能方式還是以充電為主、換電等為輔。

對(duì)于廣大工程師朋友而言，無(wú)論是從事充電還是換電方案研發(fā)和量產(chǎn)，在貿(mào)澤電子官網(wǎng)，總能找到適合你的元器件，打造出色的解決方案。

審核編輯：郭婷