Тенденции рынка и технологий для зарядных станций для электромобилей

Электромобили (EV) продвигаются быстрыми темпами из-за регулирования выбросов CO2, электрификация автомобилей прогрессирует во всем мире, при этом каждая страна уделяет особое внимание электрификации, например, запрещая продажу новых транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). после 2030 года. Распространение электромобилей также означает, что энергия, которая распределялась в виде бензина, будет заменена электричеством, что повысит важность и распространение зарядных станций. Мы подробно представим тенденции рынка зарядных станций для электромобилей, технологические тенденции и оптимальные полупроводники.

Зарядные станции для электромобилей можно разделить на 3 типа: уровень переменного тока 1 — бытовые зарядные устройства, уровень переменного тока 2 — общественные зарядные устройства и быстрые зарядные устройства постоянного тока для поддержки быстрой зарядки электромобилей. Поскольку глобальное проникновение электромобилей ускоряется, широкое использование зарядных станций имеет важное значение, и прогноз Yole Group (рис. 1) предсказывает, что рынок зарядных устройств постоянного тока будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR 2020–2026 гг.) на уровне 15,6%.

На следующем рисунке 2 показан пример схемы зарядной станции постоянного тока для электромобилей. Ожидается, что к 2030 году внедрение электромобилей достигнет 140-200 миллионов единиц, а это означает, что у нас будет как минимум 140 миллионов крошечных накопителей энергии на колесах с совокупной емкостью 7 ТВтч. Это приведет к росту использования двунаправленных зарядных устройств на самих электромобилях. Обычно мы видим два типа технологий – V2H (от автомобиля к дому) и V2G (от автомобиля к сети). По мере роста внедрения электромобилей V2G стремится поставлять значительные объемы электроэнергии из автомобильных аккумуляторов, чтобы сбалансировать потребности в энергии. Кроме того, технология может оптимизировать использование энергии в зависимости от времени суток и затрат на коммунальные услуги; например, в периоды пикового энергопотребления электромобили можно использовать для возврата электроэнергии в сеть, а в непиковое время их можно заряжать с меньшими затратами. На рисунке 3 показана типичная реализация двунаправленного зарядного устройства для электромобилей.

На следующем рисунке 4 показаны рыночные тенденции для каждого метода зарядки постоянным током и напряжения аккумуляторной батареи электромобиля. Сокращение времени зарядки имеет важное значение для проникновения электромобилей, и переход к методам зарядки, которые поддерживают более высокую мощность и более высокое напряжение, прогрессирует. Кроме того, благодаря модульной конструкции внутреннего блока питания и распределению мощности в соответствии с нагрузкой можно одновременно заряжать несколько электромобилей, что, как ожидается, устранит перегрузки при зарядке.

Далее мы поговорим о полупроводниках, используемых в зарядных станциях постоянного тока. Мы ясно видим, что тенденция зарядки постоянным током направлена ​​на увеличение мощности и напряжения. Следовательно, желательно, чтобы используемые силовые полупроводники имели меньшие потери мощности. Это связано с тем, что при более высокой подаче мощности, даже если эффективность системы одинакова, общие потери мощности могут быть очень высокими. Например: зарядные устройства постоянного тока мощностью 50 кВт с эффективностью 98% имеют потерю мощности 1 кВт, а зарядные устройства постоянного тока мощностью 400 кВт с такой же эффективностью будут иметь потери мощности 8 кВт. Следовательно, в результате получается очень большая система охлаждения. Это подталкивает инженеров к рассмотрению устройств нового поколения Power для снижения потерь мощности. В последние годы растут ожидания не только в отношении кремниевых (Si) IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором), но и карбидокремниевых (SiC) MOSFET (металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов). Конструкции на основе MOSFET обеспечивают синхронное выпрямление, более высокие частоты переключения, менее дорогие системы охлаждения и меньшие по размеру пассивные компоненты.

В таблице 1 показаны тенденции использования полупроводников для зарядных станций постоянного тока. Как уже упоминалось, силовые полупроводники должны поддерживать высокую мощность и высокое напряжение с меньшими потерями. Для микроконтроллеров и ИС управления питанием желательно интегрировать функции безопасности и защиты, высокий уровень безопасности, обновления встроенного ПО по беспроводной сети (FOTA), периферийные функции, чтобы уменьшить спецификацию материалов (BOM); и ИС драйвера затвора аналогичны микроконтроллерам и ИС управления питанием, где существует потребность в сокращении спецификации за счет поддержки высокого напряжения и технологии переключения силовых полупроводников с полупроводниками с меньшими потерями мощности.