兆瓦級商用汽車快充，“可控硅方案”完勝“碳化硅方案”

近幾年，全球電動汽車行業(yè)發(fā)展迅速，充電樁等基礎設施建設也不斷跟進。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、341萬個，車樁比達到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，比較高的能夠達到280kW，因此350kW的充電標準已經(jīng)足夠滿足當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800~1000kWh，即使用350kW的標準去充電，也要花費2.5~3個小時，這對于跑運輸?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準中，其最大充電功率已經(jīng)達到2.2MW，未來或進一步擴展至3.75MW。

然而，即使標準解決了充電功率的問題，當前對于重型商用車輛來說，面臨的更嚴峻的問題是充電樁的數(shù)量，沒有足夠的充電點來支撐更遠途的運輸工作，比如深圳已經(jīng)普及的電動卡車基本都只是跑市內(nèi)運輸。

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

圖 | Littelfuse全球功率半導體應用首席顧問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99.8%

當前乘用車的充電標準電流是500A，所謂的800V電池，其截止電壓為920V，但實際中我們能達到的最大充電功率為350kW，少于理論中的460kW。同樣，當前商用車的充電標準電流是3000A，截止電壓為1250V，但實際中能達到的最大充電功率為2.2MW，未來或將填補標準的空白，將充電功率提升至3.75MW。

圖 | 商用車輛充電標準

如下圖所示，如今構建電動汽車充電樁的經(jīng)典方案，包含了輸入濾波、保護、整流、功率因數(shù)控制、隔離等環(huán)節(jié)，最終的系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)堆疊而成，從而形成更高的功率水平?，F(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)的個數(shù)。

Martin Schulz表示：“當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，不是完整充電標準的200~920V這個范圍?！?/p>

圖 | 電動汽車充電樁經(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子系統(tǒng)的LLC電路中，都需要一個隔離變壓器，這將導致體積無法繼續(xù)縮小。

圖 | 采用電絕緣的解決方案，圖源：Littelfuse

當然，這樣的變壓器隔離不是強制性的，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，于是人們就從技術和控制的角度去避免這個問題，所以當技術足夠成熟后，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。或許，未來在電動車市場上也會發(fā)生同樣的事情。

其次，即使現(xiàn)在的標準提到了要電流隔離，但并沒有規(guī)定一定要放在哪個位置，唯一的要求就是電池和驅動電網(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，為了進一步提高功率密度，我們還可以將每個子系統(tǒng)中單獨的隔離提到前一個環(huán)節(jié)，給中壓系統(tǒng)先做隔離。

Martin Schulz認為：“今天的電池充電有點類似于已經(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拓撲為MW級充電設施服務?！?/p>

圖 | 可控硅方案的效率可達99.8%，完勝碳化硅方案的97%

根據(jù)Littelfuse的驗證數(shù)據(jù)顯示，通過采用可控硅N1718NC200的方案，其充電效率可達99.8%，遠超碳化硅方案的97%。同時，采用該種拓撲結構的設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方案中損耗最終轉化成為熱能，需要冷卻器來進行冷卻，因此其設備體積是相當大的，而采用可控硅的方案只需其體積的10%（當然，前提條件是已經(jīng)擁有中壓變壓器）。

結合這些因素，可控硅的方案在經(jīng)濟效益方面是非常突出的。下面以2.5MW容量、50%占空比的場景進行了可控硅方案和碳化硅方案的對比，最終得出結論：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6529萬歐元。

圖：可控硅方案帶來的潛在經(jīng)濟效益，圖源：Littelfuse

當然，除了效率以外，大功率可控硅驅動方案在可用性、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)”雙輪驅動重型商用車的充電樁布局，或為最佳出路

從市場角度來看，受到疫情等多重因素影響，2022年我國重卡總銷量下降52%，而電動重卡銷量近2.3萬輛，同比+ 119%，實現(xiàn)逆勢增長。其中換電重卡銷量1.24萬輛，同比+184%，滲透率由42%進一步提升至54%。

從政策角度來看，我國從國家到地方都出臺了一系列政策，來鼓勵河北、內(nèi)蒙等鋼鐵、煤炭發(fā)達地區(qū)電動重卡的率先替換，同時加速換電站、充電樁等基礎設施的完善。

從經(jīng)濟角度來看，目前柴油價格約為8100元/噸，充、換電版本對比同級別燃油車型，保守預測全生命周期成本分別可節(jié)省 8.8/7.2萬元。

綜合以上信息，我們可以得出兩個結論，第一，電動重卡潛在市場較大；第二，重卡充電樁的普及率不夠，中國正在執(zhí)行“充電+換電”兩條腿走路的方案，最終哪種方案能夠勝出，還需要依賴政府的扶持和市場的決策。但在解決方案層面，Littelfuse給出的可控硅方案，或成為兆瓦級商用汽車快充的最優(yōu)解。