四大技術(shù)爭(zhēng)奪EV充電樁主流標(biāo)準(zhǔn)
各國(guó)正重點(diǎn)推廣電動(dòng)車(chē),車(chē)廠也紛紛公布了應(yīng)對(duì)的策略。隨著電動(dòng)車(chē)的普及,意味著汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源已從補(bǔ)充汽油的形式,傳換補(bǔ)充電力的形式,這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前,汽車(chē)電動(dòng)化(EV)在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展。不僅僅在歐洲,因?yàn)镃O2排放法規(guī)而直接推動(dòng)了電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)成長(zhǎng),各國(guó)政府也都重點(diǎn)推廣電動(dòng)車(chē),例如在2030年后禁止銷(xiāo)售新的ICE汽車(chē)(內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)),因此整車(chē)廠也紛紛公布了應(yīng)對(duì)政策。電動(dòng)車(chē)的普及意味著,汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源已從補(bǔ)充汽油的形式,轉(zhuǎn)換為補(bǔ)充電力的形式,這也使得充電站的普及變得非常重要。
目前電動(dòng)車(chē)有三種充電方式:包括了「日常充電」,也就是晚上在家中充電;「目的地充電」,外出或造訪某個(gè)地方時(shí)充電;「中途充電」,意即在行駛的過(guò)程中,前往充電站充電,如在高速公路的服務(wù)區(qū)內(nèi)充電。日常充電和目的地充電,對(duì)于日常使用和短途旅行非常重要。而中途充電則是對(duì)于長(zhǎng)途旅行非常重要。由于不可能在途中充電休息數(shù)小時(shí),要像現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)一樣進(jìn)行快速汽油補(bǔ)充,因此關(guān)鍵是要有充電時(shí)間特別短的直流快速充電設(shè)施(圖1)。
圖1 : 充電設(shè)施和充電場(chǎng)所、充電器輸出。(source:JEITA)
全球電動(dòng)車(chē)充電站的設(shè)置與成長(zhǎng)趨勢(shì)
在許多歐洲國(guó)家,已通過(guò)法律強(qiáng)制要求在住宅和商業(yè)場(chǎng)所必須安裝電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施,多數(shù)區(qū)域已經(jīng)設(shè)置可提供日常充電和目的地充電所需的充電站,因此在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行短途旅行,也都無(wú)需擔(dān)心電力的問(wèn)題。
而在路線充電方面,歐盟委員會(huì)已發(fā)布政策,要求到2030年,在歐洲主要干道的60公里范圍內(nèi),必須安裝一個(gè)輸出功率為150千瓦或以上的直流充電站。其他包括中國(guó)和美國(guó)等地區(qū),也正制定鼓勵(lì)廣泛安裝充電站的政策和法規(guī)。
如今電動(dòng)車(chē)正在全球加速普及,因此普及充電站勢(shì)在必行,根據(jù)研究公司富士經(jīng)濟(jì)的預(yù)測(cè)(圖2),全球直流充電樁的數(shù)量,在2035年預(yù)計(jì)超過(guò)210萬(wàn)座,與2020年相比,呈現(xiàn)5倍以上的高速成長(zhǎng)。
圖2 : 歐、美、中、日等,主要國(guó)家快速充電樁普及現(xiàn)狀。(source:富士經(jīng)濟(jì))
另一方面,除了中國(guó)之外,高速充電設(shè)施在亞洲區(qū)域的設(shè)置數(shù)量還是相對(duì)的較少。這是因?yàn)椴粌H僅是「日常充電」部分,在現(xiàn)有住宅區(qū)或大樓設(shè)置充電器存在著高度的困難,在「目的地充電」和「路線充電」的部分,則是面臨著確保盈利的挑戰(zhàn)。
這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的爭(zhēng)論,因?yàn)楝F(xiàn)階段電動(dòng)車(chē)普及率不高,所以充電站的需求不大,而且由于充電站設(shè)置不普遍下,充電就變成為一個(gè)困擾,也就造成電動(dòng)車(chē)更難普及。因此,亞洲各國(guó)政府為了克服這種情況,紛紛規(guī)劃了各種相對(duì)應(yīng)的方案,例如,日本政府祭出了補(bǔ)助安裝充電設(shè)備所需的費(fèi)用(設(shè)備和建筑)等措施。
充電站的普及是提高電動(dòng)車(chē)比例所迫切需求的要點(diǎn)之一。盡管電動(dòng)車(chē)充電站在技術(shù)上已經(jīng)成熟,但是否能獲利仍然是其普及的挑戰(zhàn)。雖然所有汽油車(chē)都在加油站加油,但就電動(dòng)車(chē)而言,基本上充電大多是在家中完成的,這使得「目的地充電」和「路線充電」的公共充電站的利用率低于目前的加油站。
因此在這樣低利用率的情況下,更需要一個(gè)系統(tǒng)來(lái)確保利潤(rùn)。以歐洲為例,多家車(chē)廠已經(jīng)和能源供貨商組成聯(lián)盟來(lái)建立大規(guī)模充電業(yè)務(wù),透過(guò)統(tǒng)一充電平臺(tái),以及在各汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)點(diǎn)設(shè)置充電站,從而促進(jìn)電動(dòng)車(chē)充電站的普及。
充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜
充電基礎(chǔ)設(shè)施如此復(fù)雜的最大原因是充電(能源供應(yīng))所需的時(shí)間較長(zhǎng),因?yàn)殡妱?dòng)車(chē)的充電器有兩種不同類(lèi)型。雖然內(nèi)燃車(chē)的燃料有汽油和柴油不同,但在加油時(shí),無(wú)論是哪種燃料最多5分鐘左右即可完成。但是充電器的充電時(shí)間的計(jì)量單位則多是以小時(shí)而不是分鐘來(lái)衡量的。
充電器大致可分為「普通充電器」和「快速充電器」。普通充電器價(jià)格相對(duì)較低,通常放置在獨(dú)戶(hù)住宅或商業(yè)場(chǎng)所的停車(chē)位上。首先,使用者需要安裝專(zhuān)用的200V交流電源插座或普通充電器,充電時(shí),需將200V交流電(從專(zhuān)用插座或普通充電器輸出)輸入到電動(dòng)車(chē)中,并透過(guò)電動(dòng)車(chē)內(nèi)的充電器(車(chē)載充電器),將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并對(duì)電池(鋰離子二次電池)充電。這時(shí)用戶(hù)需要安裝專(zhuān)用的200V交流電源插座或普通充電器。
專(zhuān)用電源插座和普通充電器的平均輸出電壓為AC 200V和15A電流,因此充電需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。例如,日產(chǎn)LEAF電動(dòng)車(chē)早期型號(hào)的電池容量為30kW時(shí),從最低電池電量(當(dāng)警告燈亮起時(shí)),充滿(mǎn)電需要10多個(gè)小時(shí)。而目前最新款的車(chē)型,則是使用40kW電池,使用同樣的充電器下,充電時(shí)間更需要長(zhǎng)達(dá)13個(gè)小時(shí)。2022年6月所推出的微型車(chē)標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車(chē)Sakura,雖然使用的電池容量變小,僅有20 kW,但是充電時(shí)間還是需要8小時(shí)左右。這與內(nèi)燃車(chē)相比,補(bǔ)充能源的時(shí)間實(shí)在相當(dāng)長(zhǎng)。
而「快速充電器」的輸出電壓高達(dá)400V至500V DC,最大電流為60A。假設(shè)從最低值(警告燈亮起時(shí)),充電到80%電量只需30分鐘左右。這與普通充電器的主要區(qū)別在于,「快速充電器」有內(nèi)建變壓電路,可以在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的同時(shí)升壓,并在監(jiān)控車(chē)輛充電量的同時(shí)控制輸出電流,使得充電開(kāi)始時(shí),就可以輸出最大電流輛,當(dāng)電荷量達(dá)到一定水平時(shí),輸出電流則會(huì)自動(dòng)降低。
充電方式、電池電壓與市場(chǎng)趨勢(shì)
在這些充電方式中,決定電動(dòng)車(chē)普及的就是「?jìng)鲗?dǎo)式快速充電器」,也就是所謂的「快速充電器」。大多是應(yīng)用于中途充電基礎(chǔ)設(shè)施中。目前,這種充電器目標(biāo)是在大約30分鐘內(nèi),將電動(dòng)車(chē)電池充電至最大容量的80%。不過(guò)市場(chǎng)最大的期待值是將充電時(shí)間縮短到5分鐘左右。
圖3顯示了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)的各種直流充電方法,和電池電壓的市場(chǎng)趨勢(shì)??s短充電時(shí)間對(duì)于快速擴(kuò)大電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)比例至關(guān)重要,目前正在朝向支持更高功率和電壓的充電方法。此外,透過(guò)模塊化內(nèi)部電源單元并根據(jù)負(fù)載分配電力,可以同時(shí)為多輛電動(dòng)車(chē)充電,進(jìn)而有望解決充電時(shí)擁堵的現(xiàn)象。
圖3 : DC充電方式和EV驅(qū)動(dòng)用電池電壓的市場(chǎng)技術(shù)趨勢(shì)。(source:ReVision Auto & Mobility)
目前,快速充電器主要有四種標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。包括由日本汽車(chē)業(yè)者所制定的CHAdeMO (CHArge de MOve);中國(guó)的GB(Guojia Biaozhun;國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))/T 27930 (大多被簡(jiǎn)稱(chēng) GB/T);美國(guó)和歐洲的CCS (Combined Charging System);以及最大的電動(dòng)車(chē)業(yè)者-特斯拉所專(zhuān)有的SC (Supercharger)標(biāo)準(zhǔn)。
到2020年底,CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)的全球普及率預(yù)計(jì)為36,000個(gè),GB/T為300,000個(gè),CCS為13,000個(gè),SC 標(biāo)準(zhǔn)為25,000個(gè),其中絕大多數(shù)的GB/T充電器都是在中國(guó)。
為了實(shí)現(xiàn)未來(lái)快速充電器的標(biāo)準(zhǔn)化,日本CHAdeMO 標(biāo)準(zhǔn)制定組織-CHAdeMO 理事會(huì),正在與中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)合作,共同制定下一代快速充電器的充電標(biāo)準(zhǔn)。在2018年8月22日,雙方宣布將聯(lián)合制定下一代快速充電器的充電標(biāo)準(zhǔn)。隨后在2020年4月發(fā)布CHAdeMO的3.0版,作為日中聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)「ChaoJi」連接器規(guī)格的設(shè)計(jì)要求。
預(yù)計(jì)新一代的「ChaoJi」將提供與CHAdeMO、GB/T、CCS和SC等標(biāo)準(zhǔn)回朔兼容的能力。最主要特點(diǎn)是能支持900 kW(1500V X 600A)的高輸出功率,可為一輛大型卡車(chē)電動(dòng)車(chē),和多輛普通車(chē)型電動(dòng)車(chē),同時(shí)進(jìn)行快速充電。未來(lái)更進(jìn)一步的更可為船舶、土木工程施工設(shè)備、載客無(wú)人機(jī)、小型摩托車(chē)、電動(dòng)踏板車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等提供充電的能力。
圖4 : 主要快速充電規(guī)格的概要。(source:日本CHAdeMO協(xié)議會(huì))
充電設(shè)備功能的轉(zhuǎn)變與零組件趨勢(shì)
此外,隨著電動(dòng)車(chē)的普及,還出現(xiàn)了將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電池中的電能,作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施加以利用的趨勢(shì),作為利用再生能源和應(yīng)對(duì)災(zāi)害的措施,例如許多地區(qū)正在引進(jìn)和展示,以地區(qū)為單位來(lái)構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)。
其中,電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電池可用于再生能源高峰轉(zhuǎn)移,以及災(zāi)害期間作為備用電源(蓄電池)。在這種情況下,電動(dòng)車(chē)充電設(shè)備就必須是能同時(shí)支持充電和放電的雙向型。因此預(yù)計(jì)電動(dòng)車(chē)和雙向充電站的普及,將有助于實(shí)現(xiàn)利用再生能源的永續(xù)社會(huì)。
表一顯示了直流充電站中使用的半導(dǎo)體的趨勢(shì)。如上所述,功率半導(dǎo)體需要兼容于高功率和高電壓,并且具有較低的損耗。因此對(duì)于微控制器和電源管理IC來(lái)說(shuō),希望具有安全性和保護(hù)功能、高安全性、FOTA(韌體無(wú)線更新)以及可整合的外圍功能以減少BOM,而閘極驅(qū)動(dòng)IC還能夠兼容于高電壓和低功耗半導(dǎo)體,以及整合高度微控制器、電源管理IC和其他周邊功能,來(lái)減少對(duì)象的使用數(shù)量。
表1:直流充電站所使用的半導(dǎo)體組件趨勢(shì)
產(chǎn)品領(lǐng)域 | 技術(shù)趨勢(shì) |
電源半導(dǎo)體 | ● 支持大電力、高電壓 ● 低損耗組件 |
微控制器 電源管理IC | ● 安全、機(jī)能保護(hù)、保全 ● FOTA ● 減少周邊組件使用 |
閘極組件 | ● 支持高電壓 ● 高速閘極驅(qū)動(dòng)技術(shù) ● 減少周邊組件使用 |
接下來(lái),相信觀察直流充電站中使用的半導(dǎo)體,將隨著直流充電系統(tǒng)功率越來(lái)越大,電壓越來(lái)越高,所使用的功率半導(dǎo)體的損耗也應(yīng)該越來(lái)越低。這是因?yàn)樵谛氏嗤那闆r下,輸出功率越高,損耗就越大(例如,輸出功率為50kW、效率為98%時(shí),損耗為1kW;輸出功率為400kW、效率為98%時(shí),損耗為8kW,這也就增加了冷卻難度),因此更高的功率輸出需要更大的冷卻系統(tǒng)。
使用低損耗功率半導(dǎo)體可以使冷卻系統(tǒng)的成本更低,體積更小,進(jìn)而降低系統(tǒng)的成本和體積。因此近年來(lái),市場(chǎng)對(duì)SiC MOSFET,和Si IGBT的期望也越來(lái)越高,期望透過(guò)更先進(jìn)的MOSFET來(lái)設(shè)計(jì)出,允許使用同步整流和更高的開(kāi)關(guān)頻率,實(shí)現(xiàn)更便宜的冷卻系統(tǒng)和更小的被動(dòng)組件。
充電電源的改變與趨勢(shì)
近十年科技最大轉(zhuǎn)變之一,就是車(chē)輛將從加油站補(bǔ)充動(dòng)力來(lái)源轉(zhuǎn)變成充電站。在電動(dòng)車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施的早期,AC充電器雖然便宜又方便,但充電速度卻是非常慢,只能提供22kW的最大功率。因此目前許多公共場(chǎng)所的充電據(jù)點(diǎn)正在更換為直流充電器,來(lái)提高周轉(zhuǎn)率。即使是較低功率的直流快速充電器50kW,充電速度也可比最好的交流電充電器快上一倍。
因此可預(yù)期的是直流充電器正在成為公共充電的標(biāo)準(zhǔn),使得安裝數(shù)量將持續(xù)成長(zhǎng),反之,交流充電成長(zhǎng)預(yù)計(jì)將會(huì)須放緩。雖然我們?nèi)匀豢吹浇涣鞒潆娫诩彝ブ械氖褂茫峁┮换騼奢v車(chē)進(jìn)行過(guò)夜充電,但這對(duì)于許多的公共區(qū)域充電點(diǎn)運(yùn)營(yíng)商,或企業(yè)來(lái)說(shuō)根本不可行。
無(wú)論如何,電動(dòng)車(chē)充電市場(chǎng)正在快速成長(zhǎng)。也正促使充電組件相關(guān)產(chǎn)業(yè),可以伴隨著電動(dòng)車(chē)充電的變而發(fā)展。盡管今天仍然看到非常多關(guān)于充電器連接或電池儲(chǔ)存的問(wèn)題,但相信全球快速擴(kuò)充中的電動(dòng)車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施,必定會(huì)強(qiáng)化電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)更高速的成長(zhǎng)。
評(píng)論