【導(dǎo)讀】在電動汽車中，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汽車目前很高效的快充技術(shù)，此時(shí)充電站通過直接向電池提供直流電，消除了從交流電到直流電的轉(zhuǎn)換過程，使充電過程更快。
如今，電動汽車越來越受歡迎，隨之而來的是對更高效充電解決方案的需求。然而，電動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汽車目前很高效的快充技術(shù)，此時(shí)充電站通過直接向電池提供直流電，消除了從交流電到直流電的轉(zhuǎn)換過程，使充電過程更快。
直流快速充電也稱為3級充電，該技術(shù)可謂是電動汽車充電技術(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)才能為電動汽車充滿電不同，直流快速充電通?？梢栽?8分鐘內(nèi)將電動汽車的電池充電至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：大幅縮減電動汽車充電時(shí)間
快速充電站的建立對電動汽車的廣泛采用至關(guān)重要。為了確保不同電動汽車型號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?，F(xiàn)在，為了讓車輛與更廣泛的充電站兼容，很多電動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)勢是能夠快速為電動汽車的電池充電，與常規(guī)的1級或2級充電器相比，它可以在更短的時(shí)間內(nèi)提供80%的充電，大大縮短了電動汽車充電所需的時(shí)間，方便長途旅行，有助于緩解里程焦慮。
市場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的直流電動汽車充電設(shè)計(jì)。
不過，以特斯拉汽車的400V“超級充電站”（Supercharger）為例，雖然大幅縮短了EV充電時(shí)間，但仍然沒有達(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)展的大勢所趨。配備800V平臺的電動汽車可以在10分鐘充電時(shí)間內(nèi)比原來增加約160千米的續(xù)航里程，這比標(biāo)準(zhǔn)的2級充電器快約30倍。除了快速充電，800V平臺帶來的好處還包括更輕的車身重量以及更高的熱效率。
對于EV行業(yè)而言，800V平臺并不是橫空出世的技術(shù)，它的首次引入是在E級方程式全球電動錦標(biāo)賽的系列賽車中，這些賽車對效率和熱損耗有著極為苛刻的要求。800V平臺之所以會有這些優(yōu)勢，簡而言之：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)展的源動力
在實(shí)際應(yīng)用中，800V平臺在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)，可以說是高端車型俱樂部的“入場券”。保時(shí)捷Taycan是第一款采用800V架構(gòu)的電動汽車，奧迪e-tron GT、現(xiàn)代Ioniq 5和起亞EV6都是基于800V平臺的電動汽車。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高壓平臺超級快充，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)商德爾福認(rèn)為，接下來大部分高端電動汽車都將采用800V架構(gòu)。
根據(jù)J.D.Power有關(guān)2023年電動汽車的研究報(bào)告，近一半的美國消費(fèi)者表示，不購買電動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疑是一個(gè)很好的解決方案?；?00V平臺的直流快充能輸出高達(dá)350KW的功率，大幅壓縮了電動汽車電池的充電時(shí)長。
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800V架構(gòu)是電動汽車技術(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。
通過用SiC升級取代傳統(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SiC應(yīng)用落地，半導(dǎo)體廠商在行動
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，是電動汽車車載充電器（OBC）設(shè)計(jì)的理想解決方案。
為了簡化設(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，盡可能地減少了對散熱的需求。
圖1：可用于800V電動汽車快充的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（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，并且通過高頻驅(qū)動實(shí)現(xiàn)電感等被動器件的小型化。
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）
未來展望
未來十年，電動汽車電力電子產(chǎn)品的需求將大幅增長，受純電動汽車市場快速增長的推動，IDTechEx預(yù)測該市場全球復(fù)合年增長率將達(dá)到15%。眼下，電動汽車的重點(diǎn)挑戰(zhàn)之一是充電時(shí)長以及快速充電系統(tǒng)的可用性。電池組是電動汽車的關(guān)鍵部件之一，它需要儲存大量能量來為汽車提供動力。
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平臺的可擴(kuò)展性使其很容易地適應(yīng)不同的功率需求?，F(xiàn)在，800V架構(gòu)已經(jīng)成為電動汽車技術(shù)的一個(gè)重要突破。盡管目前看起來它貌似是一項(xiàng)只在部分高端車型上使用的“高級”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、延長續(xù)航里程，優(yōu)化電池的利用率，解決電動汽車生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。很多高性能電動汽車正在受益于基于SiC的800V直流快充方案帶來的好處。
電動汽車制造商、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)，全球電動汽車SiC市場有望實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長，到2032年，市場價(jià)值將達(dá)到90.312億美元，在2023年至2032年的預(yù)測期內(nèi)，復(fù)合年增長率高達(dá)33.02%。
在電動汽車行業(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SiC的廣泛采用帶來了不利影響，但隨著應(yīng)用的普及，解決了成本問題的SiC器件必將在電動汽車的快速發(fā)展中起到巨大的推動作用，而電動汽車行業(yè)則有望全面進(jìn)入800V平臺這一新的階段。
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