电动汽车充电站的市场趋势、技术趋势面向未来，RENESAS先进的半导体技术支持相关应用不断创新

时间： 2023-08-04 来源：RENESAS 微信公众号

技术问答

近年，汽车（EV）的电气化正在世界各地迅速发展，充电站的普及对于电动汽车的发展有着非常重要的支撑。本文我们将介绍电动汽车充电站的市场趋势和技术趋势。

由于二氧化碳排放法规的颁布，电动汽车在近年飞速增长。汽车的电动化在全球各地取得进展，例如在2023年后禁止销售新的内燃机汽车（ICE）。电动汽车的普及也意味着以汽油形式分配的能源将作为电力分配，充电站的普及将非常重要。我们将详细介绍电动汽车充电站的市场趋势、技术趋势和先进的半导体技术。

汽车充电站可以分为以下三种：交流L1充电-家庭充电桩，交流L2充电-公共充电桩，直流快充。交流L1以及L2充电方式可以满足日常生活及短途出行的需求，另一方面，直流充电也极大满足了长途驾驶的需求。用户不想在路途中花费数小时等待充电，而直流充电桩能够极大地缩短汽车充电时间，就像传统汽车加油一样。随着电动汽车的全球渗透加速，充电站的广泛使用至关重要，Yole集团（图1）预测直流充电器市场将以复合年增长率（CAGR2020-26）15.6%的速度发展。

图 1 按功率进行直流充电（来源：Yole集团）

图2所示为EV直流充电站的示例电路。电动汽车的容量预计在2023年达到1亿4000万到2亿台之间，这意味着我们将至少拥有1亿4000万台小型储能单元，总共储能容量达到7TWh。这也会使得车载双向充电器市场得到巨大增长。

我们能看到两种典型的双向充电方式：汽车到家庭（Vehicle to Home）和汽车到电网（Vehicle to Grid）。随着电动汽车的普及，汽车到电网的双向充电方式目的是从电动车提供可观的能源，以平衡能源的需求。另外，该技术能够在时间及设施成本方面优化能源使用；例如在用电高峰时间，电动车能反馈电力到电网的方式缓解用电压力，而电动汽车在用电空闲时间内进行充电以节省成本。在这种情况下，EV充电设施必须是双向类型（图3），支持充电和放电。EV和双向充电站的普及有望为实现利用可再生能源的可持续发展社会做出贡献。

图2 电动汽车直流充电站电路示例

图3 双向（V2G）EV直流充电站电路示例

图4显示了每种直流充电方式和EV驱动电池电压的市场趋势。缩短充电时间对于电动汽车的普及至关重要，并且正在向支持更高功率和更高电压的充电方法转变。此外，通过内部电源单元的模块化并根据负载分配功率，可以同时为多个EV充电，有望消除充电拥堵。

图4 DC充电方式和EV驱动电池电压的市场趋势

接下来，我们将讨论直流充电站中使用的半导体元件。随着直流充电方法的功率和电压越来越高，所使用的功率半导体需要具有更低的损耗。这是因为在输出大功率时，需要大型冷却系统，因为即使在相同的效率下，高功率的损耗也会增加（例如：如果效率为98%，输出功率为50kW，则损耗为1kW。当效率为98%和400kW输出时，损耗变为8kW并且冷却变得困难）。通过采用低损耗功率半导体，可以使得冷却系统变得更小、更便宜。近年来，对Si（硅）IGBT（绝缘栅双极晶体管）和SiC（碳化硅）MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的期望都在增加。基于MOSFET的设计可实现同步整流、更高的开关频率、更便宜的冷却系统和更少的无源元件。

表1显示了直流充电站中使用的半导体的趋势。如前所述，功率半导体需要支持高功率和高电压，并且损耗较低。对于微控制器和电源管理IC，希望集成安全和保护功能、高安全性、FOTA（固件远程升级）、减少外围BOM成本、栅极驱动器IC支持低高电压和高开关频率，以及集成更多功能。

表1 直流充电站半导体的技术趋势

直流充电站的示例应用如图5所示。瑞萨电子的IGBT不仅实现了低损耗：低VCE（sat）=集电极发射器之间的饱和电压，而且还成功地抑制了IGBT开启的阈值电压（Vth）的特性变化。这抑制了IGBT在大电流控制并联使用时的时序错位，从而改善了并联时的不平衡，提高了稳定性和安全性。同时，它具有高可靠性，使其成为需要高可靠性的直流充电站的理想选择。接下来，瑞萨电子的微控制器以低成本提供高速处理和高可靠性。此外，它还配备了可处理高开关频率的高性能定时器，有助于系统小型化和外围BOM减少。结合电源管理IC，它简化了微控制器故障监控和诊断功能的设计，并最大限度地降低了BOM成本。栅极驱动器IC具有高驱动能力，可以驱动高功率功率半导体。此外，它还支持功率半导体的并联驱动，在实现降低BOM的同时实现高功耗。

图5 直流充电站的应用

瑞萨电子为可再生能源、微型电网和电力电子市场（如电动汽车）提供广泛的半导体产品。此外，瑞萨电子提供的成功产品组合解决方案，将半导体产品（功率半导体+微控制器+模拟产品）组合在一起，并为每个单元以及半导体产品提供硬件参考设计和软件设计信息。通过利用电动汽车直流快速充电站，可以省略每个产品的设备选择和原型设计，从而有助于缩短开发周期并降低客户的研发成本。

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