【技術(shù)干貨】面向純電動(dòng)汽車智能基礎(chǔ)設(shè)施的直流充電解決方案

為了達(dá)成到2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放的目標(biāo)，許多國家和地區(qū)都設(shè)定了政策目標(biāo)，到2035年停止銷售新的內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。此類政策轉(zhuǎn)變正在推動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)加大力度，減少交通運(yùn)輸排放。此外，根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，到2050年，預(yù)計(jì)道路上幾乎全部乘用車和商用車都將是電動(dòng)汽車或燃料電池汽車。

此外，汽車行業(yè)正在尋求參與“基于科學(xué)的目標(biāo)”倡議，該倡議旨在為脫碳和可持續(xù)發(fā)展提供清晰的路徑。此類倡議不僅適用在單個(gè)公司內(nèi)部，也可適用于整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)，有助于設(shè)定共同的減排目標(biāo)。

在社會(huì)需求和原始設(shè)備制造商（OEM）主導(dǎo)的行業(yè)倡議的推動(dòng)下，新基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也在不斷推進(jìn)。隨著純電動(dòng)汽車（BEV）和零排放汽車（ZEV）的普及，對(duì)支持這些車輛的直流充電樁的需求也日益增長。預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將持續(xù)下去，因此需要多樣化的充電解決方案和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

大功率直流急速充電技術(shù)在支持電動(dòng)汽車（EV）的大范圍普及方面，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前，一些直流急速充電樁的充電功率超過350 kW，使許多純電動(dòng)汽車（BEV）能夠在大約30-45分鐘內(nèi)充電至80%。這種急速充電能力很大地提升了便利性，尤其是在長途旅行中，并減少了“里程焦慮”（對(duì)續(xù)航里程的擔(dān)憂），使消費(fèi)者更容易選擇電動(dòng)汽車。此外，預(yù)計(jì)到2030年，約50%的純電動(dòng)汽車將具備200kW急速充電能力。這一進(jìn)步預(yù)計(jì)將推動(dòng)對(duì)大功率充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求增長，從而促進(jìn)整個(gè)市場(chǎng)電動(dòng)汽車普及率的整體增長。

此外，一些高階車型將能夠?qū)崿F(xiàn)超過300 kW的峰值充電功率，在實(shí)現(xiàn)效率較高的急速充電的同時(shí)，滿足客戶對(duì)高性能的期望。這些技術(shù)趨勢(shì)突顯了大功率直流急速充電器對(duì)范圍更廣的電動(dòng)汽車市場(chǎng)的重大影響和發(fā)展。

在充電站設(shè)計(jì)的趨勢(shì)方面，將是朝向?qū)⒅醒腚娫崔D(zhuǎn)換單元移離充電樁的方向。這種方法將電源轉(zhuǎn)換單元與充電單元分離，從而提高配電靈活性，并減少整體安裝空間。

多點(diǎn)直流充電器能夠?qū)⒖捎玫妮敵龉β史峙浣o不同的充電器，從而允許單個(gè)充電器同時(shí)為兩輛或多輛汽車充電。最近，許多制造商開始提供具有兩個(gè)或多個(gè)直流輸出的直流充電器。由于其在租賃汽車、出租車和公交車等商業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，這一趨勢(shì)正日益普及，因?yàn)檫@些應(yīng)用的需求正在不斷增長。同時(shí)為兩輛汽車充電（功率共享技術(shù)）可以實(shí)現(xiàn)效率較高的功率分配，以滿足高需求。此外，預(yù)計(jì)此類技術(shù)進(jìn)步還將需要高精度、高速的無線通信技術(shù)。

為了構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的脫碳社會(huì)，并期望全行業(yè)都能以緊迫感和責(zé)任感積極應(yīng)對(duì)，Murata將“創(chuàng)建脫碳社會(huì)”作為一項(xiàng)重要議題，并在開展業(yè)務(wù)運(yùn)營時(shí)設(shè)定了溫室氣體（GHG）減排目標(biāo)。

此外，Murata正在加速其整個(gè)價(jià)值鏈的脫碳工作，目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)整個(gè)供應(yīng)鏈的碳中和，到2035年實(shí)現(xiàn)RE100。Murata還與利益相關(guān)者合作，積極開展為全球氣候變化應(yīng)對(duì)措施做出貢獻(xiàn)的活動(dòng)。特別是在占銷售額25%的移動(dòng)出行領(lǐng)域，以純電動(dòng)汽車（BEV）為中心的零排放汽車的推廣被視為至關(guān)重要。Murata正以急速充電系統(tǒng)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)為中心，積極致力于該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和價(jià)值創(chuàng)造，以支持向脫碳商業(yè)模式的轉(zhuǎn)型。

Murata積極致力于解決基于重要業(yè)務(wù)流程中的社會(huì)問題，并專注于小型化技術(shù)和環(huán)保產(chǎn)品的開發(fā)。特別是在多層陶瓷電容器（MLCC）的開發(fā)上，因其通過輕量化和緊湊化技術(shù)提升，將可增進(jìn)客戶產(chǎn)品的便利性和可持續(xù)資源利用。此外，Murata還引入了環(huán)保包裝和回收系統(tǒng)，通過多方面措施，努力減少對(duì)環(huán)境的影響。

由于直流充電器需要更高的輸出功率才能滿足急速充電的需求，因此需要用于急速充電電路的MLCC。Murata擁有一系列能夠處理高輸出功率的MLCC，這種優(yōu)勢(shì)在AC-DC和DC-DC電路中尤為明顯。

由于技術(shù)正在向SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）的轉(zhuǎn)變，電動(dòng)汽車直流充電器功率器件市場(chǎng)正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型。在2023年，包括分立元器件和模塊在內(nèi)的電動(dòng)汽車直流充電器器件市場(chǎng)規(guī)模為3.3億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到8.1億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為17.8%。

尤其是SiC技術(shù)，其高速普及使得電動(dòng)汽車直流充電基礎(chǔ)設(shè)施成為未來幾年推動(dòng)SiC晶圓需求的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。其中，SiC MOSFET器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2023年至2029年期間以40.3%的高復(fù)合年增長率增長，達(dá)到2.95億美元的市場(chǎng)規(guī)模。這一增長主要得益于特快充電器（350kW及以上）市場(chǎng)需求的不斷增長，該市場(chǎng)對(duì)高功率輸出和效率較高的能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。此外，許多制造商正在推進(jìn)采用30-40kW模塊的模塊化設(shè)計(jì)，這些模塊也正在大規(guī)模超快速充電站中得到應(yīng)用。

與此同時(shí)，GaN技術(shù)也因其高開關(guān)速度和較高的效率而備受關(guān)注，使其在某些低功率直流充電器和專用應(yīng)用中前景廣闊。然而，GaN技術(shù)仍處于早期階段，需要解決諸如降低成本和提高可靠性等挑戰(zhàn)才能實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用。盡管如此，未來的研發(fā)預(yù)計(jì)將推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

當(dāng)前的電動(dòng)汽車直流充電器所使用的功率半導(dǎo)體，正在從Si MOSFET/Si IGBT向SiC MOSFET/GaN的轉(zhuǎn)變，這源于直流充電器對(duì)更快、更高輸出功率的需求，這是因?yàn)镾iC和GaN具有出眾的功率轉(zhuǎn)換效率，可減少能量損耗，從而縮短充電時(shí)間并降低成本，且它們可以在高溫環(huán)境下工作，降低冷卻需求，有助于實(shí)現(xiàn)小型化和降低成本。此外，它們可實(shí)現(xiàn)更快的功率轉(zhuǎn)換，從而支持急速充電系統(tǒng)的性能提升，且因其高速開關(guān)能力，將可實(shí)現(xiàn)更緊湊、更輕巧的設(shè)計(jì)，有助于節(jié)省空間的解決方案。在元器件方面也將朝向高電壓，以及元器件尺寸更小、耐熱性更優(yōu)等方向發(fā)展。

由于半導(dǎo)體規(guī)格正在從Si MOSFET/Si IGBT向SiC MOSFET/GaN轉(zhuǎn)變，這使得MLCC得以應(yīng)用于此前從未使用過的領(lǐng)域。Murata的MLCC系列產(chǎn)品有助于實(shí)現(xiàn)高電壓、小型化和耐熱性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（Si MOSFET/Si IGBT）一樣，Murata的優(yōu)勢(shì)仍將集中在AC-DC和DC-DC電路領(lǐng)域。

常見的DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)有三種類型，包括全橋轉(zhuǎn)換器、半橋轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器，Murata的解決方案可以滿足這些電路架構(gòu)的需求，還提供支持高電壓的產(chǎn)品系列，并且該系列產(chǎn)品正在不斷擴(kuò)展中。其中包括擔(dān)任緩沖電容器（2類）的GRM系列（耐壓高至1,250V）、GR3系列（耐高紋波電流）、KRM系列（具有金屬端接的GRM）、KR3系列（具有金屬端接的GR3）、RDE系列（具有環(huán)氧涂層的引線），以及擔(dān)任緩沖、諧振電容器的GRM系列（耐壓高至1kV與具有C0G、U2J特性）、KRM系列（耐壓高至1kV與具有C0G、U2J特性）。舉例來說，為了在尺寸受限的直流充電器模塊中實(shí)現(xiàn)緊湊性，有時(shí)使用MLCC代替薄膜電容器作為諧振電容器（LLC電路中建議使用諧振電容器）。