兆瓦級商用汽車快充，“可控硅方案”完勝“碳化硅方案”

近幾年，全球電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷跟進(jìn)。根據(jù)IEA發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年我國擁有世界上約85%的快速充電樁和55%的慢速充電樁。而截至2022年底，我國新能源車的保有量為1310萬輛，公共充電樁和私人充電樁保有量分別為180萬個(gè)、341萬個(gè)，車樁比達(dá)到2.51:1。

圖 | 中國新能源汽車與充電樁保有量，數(shù)據(jù)源：中航證券

從充電速度的角度來看，當(dāng)前市面上多數(shù)直流充電樁的功率在60kW左右，比較高的能夠達(dá)到280kW，因此350kW的充電標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)足夠滿足當(dāng)前乘用車的駕駛所需。但是對于重卡等大型商用車輛來說，其電池容量可達(dá)800~1000kWh，即使用350kW的標(biāo)準(zhǔn)去充電，也要花費(fèi)2.5~3個(gè)小時(shí)，這對于跑運(yùn)輸?shù)墓緛碚f是不可接受的。因此，今天的重型商用車輛的充電標(biāo)準(zhǔn)中，其最大充電功率已經(jīng)達(dá)到2.2MW，未來或進(jìn)一步擴(kuò)展至3.75MW。

然而，即使標(biāo)準(zhǔn)解決了充電功率的問題，當(dāng)前對于重型商用車輛來說，面臨的更嚴(yán)峻的問題是充電樁的數(shù)量，沒有足夠的充電點(diǎn)來支撐更遠(yuǎn)途的運(yùn)輸工作，比如深圳已經(jīng)普及的電動(dòng)卡車基本都只是跑市內(nèi)運(yùn)輸。

帶著這兩個(gè)問題，與非網(wǎng)在PCIM Asia2023上采訪到了功率電子領(lǐng)域的專家——Littelfuse全球功率半導(dǎo)體應(yīng)用首席顧問Martin Schulz，從前面提到的這兩個(gè)角度來探討行業(yè)現(xiàn)狀與建議的解決方案。

圖 | Littelfuse全球功率半導(dǎo)體應(yīng)用首席顧問Martin Schulz（右），與非網(wǎng)副主編夏珍（左）

兆瓦級商用汽車快充，“可控硅方案”的效率可達(dá)99.8%

當(dāng)前乘用車的充電標(biāo)準(zhǔn)電流是500A，所謂的800V電池，其截止電壓為920V，但實(shí)際中我們能達(dá)到的最大充電功率為350kW，少于理論中的460kW。同樣，當(dāng)前商用車的充電標(biāo)準(zhǔn)電流是3000A，截止電壓為1250V，但實(shí)際中能達(dá)到的最大充電功率為2.2MW，未來或?qū)⑻钛a(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)的空白，將充電功率提升至3.75MW。

圖 | 商用車輛充電標(biāo)準(zhǔn)

如下圖所示，如今構(gòu)建電動(dòng)汽車充電樁的經(jīng)典方案，包含了輸入濾波、保護(hù)、整流、功率因數(shù)控制、隔離等環(huán)節(jié)，最終的系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)堆疊而成，從而形成更高的功率水平。現(xiàn)在的經(jīng)典子系統(tǒng)功率范圍通常為60~100kW，因此輸出功率的多少取決于子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)。

Martin Schulz表示：“當(dāng)前采用碳化硅方案的效率大約為97~98%，但還不能支持CCS需求的全電壓范圍，輸出電壓范圍還是在250~750V之間，不是完整充電標(biāo)準(zhǔn)的200~920V這個(gè)范圍?！?/p>

圖 | 電動(dòng)汽車充電樁經(jīng)典方案示意圖，圖源：Littelfuse

此外，在這種方案中，我們可以看到每一個(gè)子系統(tǒng)的LLC電路中，都需要一個(gè)隔離變壓器，這將導(dǎo)致體積無法繼續(xù)縮小。

圖 | 采用電絕緣的解決方案，圖源：Littelfuse

當(dāng)然，這樣的變壓器隔離不是強(qiáng)制性的，就像10年前，太陽能逆變器被要求具有隔離功能，但一旦上了隔離變壓器，效率就會受到影響，于是人們就從技術(shù)和控制的角度去避免這個(gè)問題，所以當(dāng)技術(shù)足夠成熟后，一部分太陽能逆變器就放棄了變壓器隔離，這也是為什么今天我們看到的太陽能逆變器都是直接連接的原因所在?；蛟S，未來在電動(dòng)車市場上也會發(fā)生同樣的事情。

其次，即使現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)提到了要電流隔離，但并沒有規(guī)定一定要放在哪個(gè)位置，唯一的要求就是電池和驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)要分開。目前中壓變壓器的效率很高，可以做到超過99%。所以在中壓電網(wǎng)中，為了進(jìn)一步提高功率密度，我們還可以將每個(gè)子系統(tǒng)中單獨(dú)的隔離提到前一個(gè)環(huán)節(jié)，給中壓系統(tǒng)先做隔離。

Martin Schulz認(rèn)為：“今天的電池充電有點(diǎn)類似于已經(jīng)有50多年歷史的電解方案，完全可以參考其完善的B12H或B12C拓?fù)錇镸W級充電設(shè)施服務(wù)?！?/p>

圖 | 可控硅方案的效率可達(dá)99.8%，完勝碳化硅方案的97%

根據(jù)Littelfuse的驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示，通過采用可控硅N1718NC200的方案，其充電效率可達(dá)99.8%，遠(yuǎn)超碳化硅方案的97%。同時(shí)，采用該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)備將獲得非線性的損耗，如果電流增加一倍，正向損耗也只會增加10%；但如果用MOSFET做同樣的事情，其正向損耗將會增加4倍。

此外，由于碳化硅MOSFET方案中損耗最終轉(zhuǎn)化成為熱能，需要冷卻器來進(jìn)行冷卻，因此其設(shè)備體積是相當(dāng)大的，而采用可控硅的方案只需其體積的10%（當(dāng)然，前提條件是已經(jīng)擁有中壓變壓器）。

結(jié)合這些因素，可控硅的方案在經(jīng)濟(jì)效益方面是非常突出的。下面以2.5MW容量、50%占空比的場景進(jìn)行了可控硅方案和碳化硅方案的對比，最終得出結(jié)論：每年可從冷卻方案中節(jié)約1571萬歐元，從降低損耗中節(jié)約4957萬歐元，總計(jì)6529萬歐元。

圖：可控硅方案帶來的潛在經(jīng)濟(jì)效益，圖源：Littelfuse

當(dāng)然，除了效率以外，大功率可控硅驅(qū)動(dòng)方案在可用性、可靠性和壽命方面也是其他方案不可比擬的。

“政策+產(chǎn)業(yè)”雙輪驅(qū)動(dòng)重型商用車的充電樁布局，或?yàn)樽罴殉雎?/strong>