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近期香港科技大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出一種新的氫燃料電池，鉑用量大減80%，這意味這著氫燃料電池成本大幅下降。它引起行業(yè)軒然大波！寧德時(shí)代總裁周佳和副總裁黃世霖雙雙掛靴辭職，業(yè)界猜測(cè)鋰電池末日與氫燃料電池未來。寧德時(shí)代PR回應(yīng)是黃世霖先生將在“光儲(chǔ)充檢”新興領(lǐng)域探索業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)，與寧德時(shí)代形成戰(zhàn)略協(xié)同。這里一個(gè)“充”字，說明新能源車充電技術(shù)是電池制造商縱向延伸的戰(zhàn)場(chǎng)。

充電慢帶來的補(bǔ)能焦慮是制約電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的一大痛點(diǎn)，高電壓直流充電樁是實(shí)現(xiàn)快充的重要路徑。車企近期紛紛推進(jìn)高壓快充新平臺(tái)研發(fā)設(shè)計(jì)，并加速布局高功率充電樁。本文聚焦新能源車快充技術(shù)和方案，討論快充的實(shí)現(xiàn)途徑。

1. 主機(jī)廠快充發(fā)展迅猛

民生證券統(tǒng)計(jì)，根據(jù)已上市搭載800V架構(gòu)的車型預(yù)測(cè)，2022年800V快充車型的銷量約5萬輛，滲透率為3%；到2025年，滲透率將達(dá)到30%。東吳證券認(rèn)為，800V級(jí)高電壓方案的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)使充電功率突破400kW，預(yù)計(jì)會(huì)實(shí)現(xiàn)充電5分鐘，續(xù)航200km-300km，將大幅緩解充電焦慮。2019年，車企開始關(guān)注800V高電壓方案，2021-2022年更多車企高端車型采用800V快充，2023-2024年將不斷有新平臺(tái)使用800V高電壓。

小鵬2022年9月即將上市的G9車型采用了800V SiC(碳化硅)高壓電驅(qū)平臺(tái)，綜合續(xù)航里程可提升5%，充電5分鐘續(xù)航可增加200公里。吉利汽車推出的極氪001搭載了800V快充平臺(tái)，以開發(fā)支撐用戶更長(zhǎng)里程需求的電池包，快充時(shí)間可以縮短到15分鐘，可大幅減緩用戶焦慮。

豪華汽車品牌保時(shí)捷早在2019年在業(yè)內(nèi)率先推出800V快充量產(chǎn)車型Taycan，最大充電功率可達(dá)350KW，5%-80% SOC(State of Charge，即電池的充電狀態(tài)，也稱為剩余電量)充電時(shí)間約23分鐘。特斯拉曾表示，將在未來開展800V高壓電器架構(gòu)研究，全面推進(jìn)超充站建設(shè)，并在2年內(nèi)將超充網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大三倍。數(shù)據(jù)顯示，近日，特斯拉全球第35000根充電樁在武漢落地，國內(nèi)已有1200多座超級(jí)充電站、8700多根超級(jí)充電樁，配合700多座目的地充電站、1800多根目的地充電樁，覆蓋370多個(gè)城市及地區(qū)。

在800V架構(gòu)下，新能源汽車電機(jī)將面臨軸承防腐蝕和增強(qiáng)絕緣性能兩大要求。電機(jī)技術(shù)路線方面，電機(jī)繞組工藝將趨于扁線化，而電機(jī)冷卻技術(shù)將趨于油冷化。同時(shí)，SiC替代方案的推廣，有助于提升效率、降低功耗、縮減體積。

2. 快速充電的三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車直流充電樁時(shí)，常常要滿足這些條件：增大輸出功率，縮短充電時(shí)間；提高充電站設(shè)定尺寸內(nèi)的功率密度；通過增大負(fù)荷并降低功耗來提高效率；降低每瓦電能的設(shè)計(jì)成本?？焖佟⒔?jīng)濟(jì)、安全和可靠是電動(dòng)汽車充電解決方案必須兼顧的重要考量。因此，設(shè)計(jì)工程師必須克服功耗和散熱，電池尺寸和充電電流之間的配比平衡，高功率輸出的安全等技術(shù)挑戰(zhàn)：

功耗和散熱問題。真正的快充應(yīng)允許電池以高達(dá)350kW的功率進(jìn)行充電。以此來計(jì)算，97%的效率就意味著有9kW的功率損耗。在指定的高功率水平下向電動(dòng)汽車供電，就會(huì)產(chǎn)生大量損耗和高溫，因此可能會(huì)造成器件的損壞。

電池尺寸和充電電流之間的配比平衡問題。以寶馬i3汽車為例，自2016年以來，它的電池容量為95Ah。如果以100A的電流為100Ah電池連續(xù)充電，理論上需要一個(gè)小時(shí)才能充滿。在目前400V的正常電壓下，要在一小時(shí)內(nèi)為100Ah的電池充電，大約需要40kW的充電功率。這還只是大約200公里續(xù)航范圍內(nèi)所需的電量，不能算是真正的快充。如果要進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，必須要增大充電電流和其它參數(shù)的權(quán)衡。

高功率輸出的安全問題。綜合充電標(biāo)準(zhǔn) (CCS) 允許輸出電壓高于500V，因此只有訓(xùn)練有素的專業(yè)人員才能進(jìn)行操作，并且對(duì)統(tǒng)一的充電插頭有很高的材料和技術(shù)要求。

3. TI電動(dòng)汽車充電樁案例

TI公司提供的參考設(shè)計(jì)重點(diǎn)在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)的拓?fù)淇紤]，這些智能且高效的電源模塊可作為快速直流充電樁設(shè)計(jì)的組成部分。

圖1為直流充電樁的典型框圖?？紤]到將轉(zhuǎn)換器堆放在車內(nèi)會(huì)使車輛變得笨重，因此，這些堆疊式變流器常被放置在車輛外部，成為電動(dòng)汽車充電樁的組成部分。充電樁通過車載充電器與車輛蓄電池直接連接。直流充電樁是一個(gè)L3充電器，可滿足120至240kW范圍內(nèi)的極高功率。L3充電器通常在30分鐘內(nèi)將電池充電至80%的荷電狀態(tài) (SoC) 。為了實(shí)現(xiàn)這種高功率水平，TI使用了可堆疊的模塊化電源轉(zhuǎn)換器。

直流充電樁中的電源模塊由集成在充電樁中的AC/DC電源級(jí)和DC/DC電源級(jí)組成。每個(gè)轉(zhuǎn)換器與其功率級(jí)相關(guān)，功率級(jí)由功率開關(guān)和門驅(qū)動(dòng)器、電流和電壓傳感以及控制器組成。在輸入端，它有三相交流電源，連接到AC/DC功率級(jí)。該模塊將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為約800 V的固定直流電壓，該電壓用作DC/DC功率級(jí)的輸入。此外，驅(qū)動(dòng)功率級(jí)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器也是功率級(jí)的一部分。每個(gè)功率級(jí)都有一個(gè)單獨(dú)的控制器，負(fù)責(zé)處理模擬信號(hào)并提供快速控制動(dòng)作。除此之外，還有不同的溫度傳感模塊、CAN、以太網(wǎng)和RS-485接口，以及為輔助電路供電的隔離和非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，如冷卻散熱器的風(fēng)扇、隔離放大器等。

TI參考設(shè)計(jì)采用多級(jí)實(shí)現(xiàn)，減少散熱和損耗。AC/DC階段 (也稱為PFC階段) 是電動(dòng)汽車充電站的第一級(jí)功率轉(zhuǎn)換，它將來自電網(wǎng)的輸入交流電源 (380–415VAC) 轉(zhuǎn)換為800V左右的穩(wěn)定直流鏈路電壓。PFC級(jí)對(duì)于維持正弦輸入電流非常重要，通常THD

4.英飛凌超快速直流充電案例

如果能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到99%甚至以上的話，降溫就變得相對(duì)簡(jiǎn)單。英飛凌認(rèn)為現(xiàn)代化的功率芯片是其中的關(guān)鍵，它的高效能碳化硅 (SiC) 模塊，已經(jīng)在太陽能這個(gè)對(duì)高效能要求同樣嚴(yán)苛的行業(yè)占據(jù)了一席之地。現(xiàn)在，英飛凌又將這些高效電路應(yīng)用到了電動(dòng)汽車領(lǐng)域。高功率充電系統(tǒng)的目標(biāo)是縮短充電時(shí)間，以使電動(dòng)汽車達(dá)到能夠與燃油車相提并論的程度。借助高達(dá)350kW的大功率直流充電系統(tǒng)，續(xù)航200公里需要充電大約7分鐘，這種高效、快速且易用的充電方式將有助于消除人們的“續(xù)航里程焦慮”。采用英飛凌技術(shù)的充電樁可將充電時(shí)間從原本的三小時(shí)縮短到了幾分鐘。

采用功率模塊是實(shí)現(xiàn)50kW至350kW的直流電動(dòng)汽車充電器的重要選型策略。基于IGBT的解決方案采用EconoPACK和EconoDUAL，適用于交流-直流轉(zhuǎn)換，通常在約20 kHz 下運(yùn)行。CoolSiC Easy（碳化硅模塊）可使交流-直流轉(zhuǎn)換器級(jí)在約40kHz至50kHz下運(yùn)行。碳化硅模塊也是直流-直流級(jí)的首選器件，可提高開關(guān)頻率，從而減小整體系統(tǒng)尺寸并實(shí)現(xiàn)更高效率。

其中，英飛凌EconoDUAL3系列產(chǎn)品可以支持600V / 650V / 1200V和 1700V電壓等級(jí)，以及從100A到900A的完整電流范圍。該模塊通過與最新一代TRENCHSTOP IGBT7技術(shù)相結(jié)合，使得該1200V產(chǎn)品系列的額定電流值從600A擴(kuò)展到高達(dá)900A。模塊的對(duì)稱設(shè)計(jì)使得并聯(lián)運(yùn)行時(shí)IGBT半橋之間的均流得到優(yōu)化。

碳化硅模塊開關(guān)頻率增加可導(dǎo)致磁性組件體積和重量顯著減少，最多可減少25%，大大降低了應(yīng)用成本。經(jīng)過優(yōu)化的IMZA65R027M1H CoolSiC MOSFET 650V，在達(dá)到最低應(yīng)用損耗和最高運(yùn)行可靠性方面表現(xiàn)出色。這款碳化硅MOSFET采用TO247 4引腳封裝，可降低柵極電路的寄生源電感影響，從而實(shí)現(xiàn)更快速的開關(guān)并提升效率。

原標(biāo)題：氫燃料電池發(fā)布，寧德時(shí)代總裁掛靴與新能源車快充