充电与换电,两种电动汽车补能方式发展情况漫谈

2023年01月20日 12:20
来源:贸泽电子
作者:Doctor M

新能源汽车 - 充电和换电

根据2022中国电动汽车百人会论坛发布的《中国新能源汽车市场洞察报告2021》,“充电时间过长”和“充电不方便”两大因素依然是消费者使用新能源汽车时的痛点。并且,报告指出,越是频繁驾驶新能源汽车出行的消费者,对于快速充电桩的依赖度越高。

发展至今,充电问题或者说是补能问题已经是新能源汽车领域里一个老生常谈的问题。然而随着政策和产业布局的变化,这个问题又常有新的延伸。2022年,国内进入新能源汽车换电模式高速发展的元年,换电和充电在新能源汽车产业内上演着“一时瑜亮”。

充电与换电发展漫谈

根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟的数据,截至到2022年6月,国内换电站数量已达1,582个。能够看出,目前新能源汽车换电产业正在高速地发展,除了北汽新能源、蔚来等车企外,中石化、中石油和宁德时代等都在围绕换电概念布局“车电分离”,将换电打造成为新能源汽车产业的新风口。

换电之所以能够高速发展,一方面是因为换电使得电动汽车补能和传统燃油车更类似,另一方面在于其催生出一种全新的新能源汽车产业发展模式。换电实现了对大量电池的集中存储、集中充电、统一配送,使得车和某一块电池并不强相关,这是“车电分离”的关键。车电分离能够帮助车主节省一大笔购买电池的费用,也能够打消消费者对新能源汽车使用若干年后换电池费用高昂的顾虑。

根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》里的规划,2025年我国配套换电站的需求将超过28,000座,以2021年1192座为起始点,2021年-2025年期间的年复合增长率接近300%。


图1:我国配套换电站发展规模(制图:贸泽电子)(资料来源:《节能与新能源汽车技术路线图2.0》)

目前,换电可分为整包换电和分箱换电两种方式,由于具备灵活性高的优势,分箱换电更受产业界青睐。不过,目前换电模式整体还存在一些产业难题。其一是标准不统一,包括电路接口、电池大小/重量计和紧固件设计等,由于标准不统一,换电模式存在明显的品牌壁垒;其二是成本高昂,目前市场上的换电站普遍不盈利,且难盈利。

因此,虽然换电产业发展的如火如荼,然而目前新能源汽车主流的补能方式还是充电。现阶段,汽车充电桩产业发展已经从跑马圈地进入精细化经营,协同化和互通化成为充电服务平台主要的发展趋势。在这种趋势下,充电站开始向着“万能充”的模式发展,并逐渐淘汰功率低的充电桩。

历经数年,充电桩建设已经有了较为成熟的模式,分为交流电和直流电。其中,交流充电桩主要布局用于慢充,常规充电时间在8小时以上;直流充电桩主要用于快充和超快充,目前前沿方案已经可以实现15分钟充电80%。根据国家能源局的规划数据,2025年我国充电桩数量要满足超过2,000万辆电动汽车的充电需求,车桩配比为2:1。截止到2022年6月,我国已经累计建设充电桩392万台。

在技术突破上,目前800V高压超充和智能充电桩成为主要的发展方向。800V高压超充具有短时内高速充电的特点,可从根本上解决纯电车充电缓慢、充电难的问题,以市场在售的基于800V高压SiC平台的量产车小鹏G9为例,该车充电5分钟就可续航200公里;智能充电桩则在人机交互和充电控制方面实现了大的突破,智能充电桩可以根据充电的不同阶段合理调整充电速度,不仅保证了充电速度,而且可以降低超充对电池的损害。

当然,目前充电桩建设也存在自己的问题,包括早期充电桩功能不全、速度慢,僵尸桩问题严重;新建充电桩分布不均匀,运营管理有待提高等。

综上所述,无论是充电还是换电,都有自己独特的优势,能够解决消费者心中的部分痛点,实现新能源汽车产业的多元化发展。对于从业者而言,无论是专攻哪种补能方式,都离不开贸泽电子所售元器件的助力,通过一站式采购的方式,保障各种创新方案顺利落地。

让直流快充更稳定高效的 HiPerFET™ 功率MOSFET

在电动汽车充电方案里,由于非车载充电器在充电桩内部已经将电流转换为直流电,因此可以直接为电池充电,无需车端再次转换,也就有了更高的充电效率。在具体实现的过程中,低导通电阻的功率MOSFET是直流快充的首选方案,相较于同类型的硅方案,功率MOSFET能够实现的效率更高。

下面,我们就为大家推荐一款可用于打造直流快速充电桩的功率MOSFET,这颗元器件的料号为IXFP36N60X3,来自制造商Littelfuse。


图2:IXFP36N60X3(图源:贸泽电子官网)

IXFP36N60X3是IXYS IXFxN60X X3级HiPerFET™ 功率MOSFET中的一款。该系列功率MOSFET采用电荷补偿原理和专有工艺技术开发,相较于同类型产品,有着更好的品质因数(导通电阻x栅极电荷)表现。通过低导通电阻和低开关损耗,在打造直流充电桩等相关应用时,该系列功率MOSFET能够帮助实现更高的效率。同时,凭借低反向恢复电荷和时间,该体二极管能够在高速开关时消除所有剩余能量,避免器件出现故障,进一步提升了方案的效率水平和安全水平。

此外,IXYS IXFxN60X X3级HiPerFET™ 功率MOSFET还提供其它优异的保护能力,具有抗雪崩能力、出色的dv/dt性能,并可耐受寄生双极晶体管的电压尖峰和意外导通引起的器件故障,进一步提升了系统的安全性能。


图3:IXYS IXFxN60X X3级HiPerFET™功率MOSFET - 最大瞬态热阻抗(图源:Littelfuse)

在打造方案的过程中,IXYS IXFxN60X X3级HiPerFET™功率MOSFET提供通孔或表面贴装,更易于安装。除了应用于直流充电桩,该系列功率MOSFET还可用于开关模式和谐振模式电源、交流和直流电机驱动器、机器人和伺服控制等应用。

充电和换电都可用的PSR高速方形熔断器

实际上,无论是充电还是换电,核心产品都是电池。而电池作为一种活跃的电化学品,系统安全防护就显得极为重要。在充电桩和换电站给电池补充能量的过程,如果出现了过流故障,不仅容易引起电池系统发生爆燃事件,同时对充电系统也有非常大的危害。

下面我们为大家推荐的是具有极强电流限制能力的PSR高速方形熔断器,其中一款器件在贸泽电子上的料号为PSR032FL1100Z,来自制造商Littelfuse。


图4:Littelfuse PSR高速方形熔断器(图源:贸泽电子)

Littelfuse PSR高速方形熔断器采用DIN43653刀片式端子,专为保护功率半导体器件而设计。这些保险丝不仅能够提供优于同类产品的电流能力,卓越的循环能力,同时将极强的电流限制能力与均衡的性能水平完美融合,以满足保护敏感的电力电子器件的精确要求。这些保险丝可用于保护二极管、三端双向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET以及其他通常用于功率转换和功率调节设备的固态器件。


图5:峰值电流通过曲线(72型尺寸)(图源:Littelfuse)

Littelfuse PSR高速方形熔断器产品系列中的所有熔断器均标配直观的保险丝熔断指示,并可选配外部指示微动开关。这些熔断器除了可用于电动汽车充电站和电池保护应用(储能系统),还可用于加热器和电源,以及功率转换器件(UPS、逆变器、整流器、驱动器)等。

可用于EV充电的增强型隔离栅极驱动器

目前,EV充电在不断地追求效率,希望纯电动汽车补能的体验能够和传统燃油车媲美。从最新发布的前沿车型能够看到,已经有车型能够实现15分钟从10%电量补充到80%。当然,高效的充电桩在电路设计上就会更加复杂,需要更高效可靠的栅极驱动器。一款合适的驱动器芯片能够让系统设计事半功倍。

下面我们为大家推荐的是一款具有多种保护特性,并可用于EV充电的增强型隔离栅极驱动器IC,来自制造商英飞凌,该器件的料号为1ED3322MC12NXUMA1。大家可以通过该器件的详情,了解整个英飞凌EiceDRIVER™增强型隔离栅极驱动器IC系列。


图6:英飞凌EiceDRIVER™增强型隔离栅极驱动器IC(图源:贸泽电子)

英飞凌EiceDRIVER™增强型隔离栅极驱动器IC用于驱动MOSFET、IGBT、碳化硅MOSFET以及氮化镓HEMT。这些驱动器芯片具有出色的保护性能,提供DESAT、米勒钳位、MOSFET软关闭、IGBT和SiC MOSFET等保护特性,并且都支持短路钳位和有源关断。借助米勒钳位和精确短路保护 (DESAT),可在驱动CoolSiC™SiC MOSFET和TRENCHSTOP™IGBT7时避免寄生导通和短路,从而实现出色的应用安全性。

在产品选择上,英飞凌EiceDRIVER™ 增强型隔离栅极驱动器IC提供X3模拟系列 (1ED34xx) 和X3数字系列栅极驱动器IC可供选择。这些单通道和双通道栅极驱动器IC具有9A输出电流和40Vmax输出电压,采用节省空间的DS0-16小间距宽体封装,爬电距离为8mm。

在方案设计上,1ED34xx提供电阻器可配置性,1ED38xx提供I2C可配置性,在设计导入过程中具有极高灵活性,不仅可以用于EV充电,还可用于1,500VDC太阳能逆变器应用,以及UPS、工业驱动器、焊接设备、服务器和电信系统用电源等其他应用。

充电为主、换电为辅的核心旋律

换电模式的理想形态是电池设备运营商的角色就像金融体系中的银行一样,货币(电池包)的属性是相同的,因而目前广泛运营的换电运营商需要在电池模块标准化方面形成统一,包括具体的尺寸和接口,当然这需要很长的产业化路程。目前,新能源汽车补能方式还是以充电为主、换电等为辅。

对于广大工程师朋友而言,无论是从事充电还是换电方案研发和量产,在贸泽电子官网,总能找到适合你的元器件,打造出色的解决方案。