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《电动汽车充电模块的发展趋势》

  • 编译者： 赵卫华
  • 发布时间：2025-05-16

  • 电源模块对于实现快速充电速度和支持大功率应用至关重要，可以满足日益增长的电动汽车普及的需求。

    直流快速充电器中的电源模块是将交流电网电能转换为高压直流电能以高效为电动汽车电池充电的关键组件。它集成了整流器、逆变器和控制系统，以确保精确的电力输送，同时优化能源效率并最大限度地减少热量损失。电源模块对于实现快速充电速度和支持高功率应用至关重要，可满足日益增长的电动汽车普及需求。IDTechEx的报告《2025-2035 年电动汽车和车队充电基础设施：市场、技术和预测》发现，人们正转向碳化硅 (SiC) 技术以提高性能、紧凑的设计以实现可扩展性，以及热管理创新以提高可靠性和降低运营成本。

    输出功率变化

    容量超过 100kW 的充电器通常采用模块化方式构建，采用堆叠电源模块，这些模块具有热插拔设计，易于维护且系统灵活。这些模块的容量已达到 20-50 kW（传统充电器通常使用 15 kW 模块），未来设计将超越这一水平。

    但组件功率并非越高越好，从市场来看，40kW组件已成为主流选择，这种功率配置在满足不同单口充电需求的同时，优化了电站整体充电能力。

    模块越小，并联数量越多，会增加电站重量；模块过大，又会造成配电问题，充电初期和中期需要大功率，但当电池充至80%容量时，充电功率会降低，此时如果使用单个功率过大的模块，配电就会变得困难，造成设备资源浪费。

    SiC 为何具有优势

    碳化硅 (SiC) 电源模块可显著提高直流快速充电器的效率，与基于硅 (Si) 的解决方案相比，系统整体效率可提高 2%。SiC 带来的更高功率密度可实现更小、更轻的设计，使充电器更紧凑，同时在相同空间内实现最大功率输出，从而加快电动汽车充电速度。这也使得引入 30-50 kW 范围内的新型低功率直流壁挂式充电箱成为可能。

    SiC 技术降低了冷却要求，产生的热量比传统 Si 模块更少。这降低了对主动冷却系统的依赖，减少了机械部件，提高了可靠性。此外，降低冷却需求可使运行更安静，使基于 SiC 的快速充电器更适合住宅和城市环境。

    SiC 模块效率的提高也直接转化为能源成本的节省和环境效益。典型的 2% 效率改进每 100 kW 充电功率可节省约 2 kW 的能源，从而降低能源费用并减少每个充电器的二氧化碳排放量。

    碳化硅 (SiC) 对于推进未来电动汽车充电技术至关重要。它支持 V2X 等双向能量集成，并支持重型车辆以更高的电压（高达 1,250 V）和电流（高达 3,000 A）进行兆瓦级充电。SiC 还推动了无线电力传输 (WPT) 的发展，实现了高效的静态和动态充电，输出功率为 3.7 至 500 kW。

    IDTechEx 的基准测试还发现，这些特性使 SiC 成为满足超快速电动汽车充电需求的一体式快速充电器的理想选择。它们允许更小的集成设计，同时保持提供 400-500 kW 峰值功率输出的能力。报告还发现，在最先进的一体式装置中，整体系统效率从满载时的 93% 上升到 95% 甚至更高。

    根据功率和峰值电流对一些主要制造商的一体机最高功率配置进行基准测试。

    最后，越来越多的公司正在内部开发电源模块，以优化成本、确保供应链弹性并创建定制设计以实现卓越的性能和差异化。然而，这需要在研发和制造能力方面进行大量投资。在竞争激烈且快速发展的电动汽车充电行业中，这可能正是领导者和落后者之间的差异因素。




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    • 发布时间：2016-06-22
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三是智能制造内容。智能制造的内容包含三个方面，分别是智能的产品、智能的制造过程和智能的经营服务方式，三方面内容共同组成了智能制造内容。在这说的智能就是数字化、自动化、网络化、智能化的简称。首先说一下智能产品，智能产品是制造业的标志，也就是说如果说一个产业很强，那这个产业必然有非常好的产品。例如，说高铁很强是因为我国有高速列车。数字技术和信息技术的发展为智能产品提供了创新空间。我举一个例子，大家都知道智能手机的出现把日本的小家电淘汰下去了，手机的出现逐步替代了随身听、录音机、照相机。最近很多企业都在研发无人驾驶汽车，对传统汽车行业更会产生深远影响。智能产品在我们的生活中扮演了重要角色。那么，智能产品有哪些特点呢?一是要有感知作用，即设备本身要有很多自己的特性，质量要好。比如说机床，以前的手摇机床是没有传感器的，后来出现了数控机床，要对移动距离进行测量，就需要传感器。再后来，温度对计算有影响，我们又要测量温度。二是要有获取信息后的自我调节功能，能够使自己处于最佳的工作状态。例如，我测量到温度，我知道温度会测量加工会有影响，就需要温度补偿以保证设备回到初始的测量精度上。还要进行自诊断，能够自动识别什么地方有故障了、电梯电流太大了、电梯发热了等问题。三是要有通讯功能，要能和其他装备和管理系统进行通讯。装备通讯很简单，数控机床配备机械手进行上料，数控机床和机械手之间就需要通讯。数控机床放在制造系统里面，也需要具备通讯功能。四是要对数据进行处理，挖掘分析，提供创造性应用服务。 比如说广东有一家企业，它监测设备的电流，如果电流有毛刺的话，表示轴承安装有问题，通过数据挖掘出新的分析结果，创造出新的价值。第二点，讲一下智能制造过程。智能制造过程包含两部分，一部分是数字化、自动化，是智能制造的基础，追求制造质量和生产效率、减少能耗、降低排放。还有一方面是信息化管理，指生产各个环节间要协调，去掉制造过程中的浪费。数字化管理和信息化、智能化结合在一起的时候才是智能制造过程的全部内容。智能制造过程在各个环节里都可以发挥作用，比如在产品设计环节，过去我们的产品设计是画成图然后把样机加工出来，进行试验发现问题，然后修改图纸，设计周期非常长。在智能化的数字设计领域，可以在虚拟的空间里制造产品模型，在计算机里进行仿真，仿真测试完全达到要求以后可以快速通过物理试验，大大缩短产品设计周期。工艺设计也是这样，一是工艺路线可以在计算机上仿真，例如哪些路线最简洁、最能节省时间;二是当我用某一个数控机床进行加工的时候，可以在计算机上先进行模拟加工，测试精度能不能达到，达标以后再将程序下载到机床里，加工的成功率会非常高，这些都是数字化工艺设计的应用。制造过程的自动化就更多了，包括生产、排产、设备的信息、生产进度信息、现场的可视化、供应链管理等。这个是检验检测，检验检测非常重要，特别是现在大家都讲质量追溯。检验检测的智能化，第一所有的检验检测数据必须是智能填上的，不能手工去填;第二生产线上所有工具的质量都应该是统计出来的，更多的是采用RFID、二维码等，要能够追踪产品生产过程。将来用户在使用过程中出现问题，能够倒追产品哪个工序、哪个工位，甚至是哪一批元器件造成的，这是质量信息方面。再一个是能源管理，我国的能耗跟世界平均水平相比差距较大，单位GDP大概是全球三倍。能源管理里面对主要的高耗能设备要进行可视化的管理，而且产量与能耗之间的关系应该搞清楚，这样就能建立各个重点环节的节能模型。最后是智能物流，这里的物流是指车间内的物流。其实，物流是目前智能化改造之后节约效应最明显的领域，能够大量减少人力、大大提高物流效率，降低物流过程中的质量损耗。可以利用电子单证、RFID等物联网技术，对物品的流动进行定位、跟踪、控制，还有立体仓库的控制等等。我也举一些例子，这是德国公司的模拟生产，在计算机上仿真生产流程，通过模拟对人工的制造资源进行优化配置。这个是西门子与玛莎拉蒂的汽车制造厂，它能够模拟产品整个生命周期的数字化和各个环节的协同，并能完全模拟生产流程。如果生产环境变化，比如原材料、物流有了变化或者供应链没有过来对供应链产生的影响，在计算机里都可以体现。在我们国家的飞机制造领域，数字化设计应用非常多。采用数字化设计以后，飞机可以做到一次装配成功、一次试飞成功。 数字化车间能够实现设备和设备、人和设备在工厂和后台的互联互通。例如海尔工厂，用户下了订单以后，可以在自己手机上看到我所下的订单的冰箱现在在哪个生产线上，到哪一工位，什么时候可以交货，这是数字化车间的典型案例在我们国家的实行。下面讲一下制造过程的智能化，主要讲精益模式的智能化。精益模式的智能化我们主要讲三个方面：一是个性化定制，红领在这方面做得非常好。个性化定制有几个条件，一是产品必须是模块化的，个性化定制并不是每一个产品都从头设计，一定是把产品模块化。经过模块化之后，将符合不同要求的不同模块组合在一起就形成个性化的产品。二是一定要有服务平台，通过服务平台用户可以根据深入的交互让用户选用模块，快速生成产品的定制方案。三是定制完成后，后续的生产要跟得上。生产计划和制造线能够跟得上订单需求，这是很不容易的。符合这三个条件才可以称为个性化定制。首先介绍一下个性化定制，例如奥迪将零件压缩之后形成重点模块，模块可以组合成更多的产品，这是模块化的生产方式。奥迪表示自己有20000多个部件，可以形成10000种产品，为30万用户提供特殊需求。我们国家在这方面的案例就是红领，大家可以看到红领的成绩非常明显，可以采集身上18个部位22个数据，根据这些数据顾客就可以形成他独有的订单，这样的设计7天就可以交付，成本只比批量生产高10%，通过这样的个性化定制，红领的年销售收入和利润增长都超过100%。所以说，个性化定制这样一种智能制造方式能够为企业带来效益。第二种方式是协同开放云制造，协同开放云制造什么意思呢?我建立一个网络平台，在网络平台里可以对不同企业或企业不同部门的创新资源、设计能力、生产能力、服务能力进行集成和对接，此外，还可以和社会上的资源和服务进行对接。目前，协同制造应用最好的领域是航空工业，航空工业本身的特点导致其必须采用协同制造。比如，沈飞坐飞机的头、成飞做机翼、西飞做的机身，肯定是不同的地区、不同的厂家在进行协同的运行设计，设计完成后要到一个地方装配，这样就必须采用协同开放云制造这样的方式才能够实现。经营模式里面，我们推荐远程监控。 远程监控就是说我们利用工业物联网，把我卖出去的产品的设备状态、操作情况、环境情况进行搜集，将数据上传运维平台进行管理，向用户提供在线监测、故障预计等预测性服务方案，此外，还配备了专家团队对远程监控提供支持，如果普通方案不能满足要求的时候，还可以请专家团队过来提出新方案。像陕西鼓风机，每卖一台鼓风机就配备一套测试装备，它在全国设有3个远程监控点为用户服务。这方面做的最漂亮的是GE公司，GE公司将传感器装在发动机的叶面上，并测试发动机叶面参数，从飞机滑行开始，将滑行、起飞、巡航、下降、遇到不同的天气波动等所有情况下的测试参数全部归纳起来，对发动机的状态进行监控，检查、判断发动机是否正常，如果有问题是哪个部件出了问题，飞机还没到达机场就将部件准备好，飞机降落之后马上把部件换上去。由于GE能够提供这种服务，后来它就不卖发动机了，只卖飞行小时，航空公司租GE的发动机，以飞行小时计价，这样的方式使得GE公司去年的业务量从69亿/年增加到187亿/年，该项业务的收入从占到总收入的40%增加到60%，现在全世界的发动机公司都在学习GE的做法。 二、发展形势 以上我将智能制造内涵大致介绍了一下，下面再抽5分钟时间把发展形势说一下。 一是我国智能制造需求旺盛。我们国家从2011年开始推行“智能制造”，当时大家觉得“智能制造”离我们太远了。但是，经过这几点的发展，大家觉得“智能制造”很快就来到了我们跟前。2011年到2014年，发改委、工信部、财政部联合实施了智能制造专项，4年共支持了124个项目，投入经费40亿元。2015年，国家又选出了46个国家试点示范项目，分布在28个省市、36个行业。而且，我国也实施了智能制造专项，其中标准研制43项、数字化车间51项，国家共投资10个亿。通过这几年的努力，我们给企业指出的方向，带动了企业对智能制造的需求，另外，关键的零部件和智能制造装备方面也取得了巨大的进展。数字化车间、数字化工厂的建设也在点上取得了一些突破，有了样板，并培训了一批人才。而且我们形成了一种机制，就是用户和制造商联合实施智能制造项目，这些都是有益的探索。经过这四年，可以说我们国家智能制造的培训期已经过了，从现在开始我们进入发展期。现在，我们国家智能制造需求非常旺盛。2014年，我们对浙江省10个市、20个行业、116家企业进行了调研，在机器换人需求方面，64.2%的企业非常强烈，44.9%的企业一般，14%的企业表示在做准备，真正没有需求的企业只占2%。此外，他们需求的目的非常明确，82%是为了解决人工问题，71.9%是为了解决劳动时间问题，71.9%是为了解决生产问题效率问题，还有46%是为了解决环境问题。浙江省每年在推进数字化、网络化、智能化战略方面政府和企业总投资要达到3600亿到5000亿之间。2015年，我们对福建省做了一项调查，100%的企业都对智能制造需求非常强烈，其中，家居行业需要升级的占32%，装备行业需要升级的站25%，监测环节需要升级的占32%，测试环节需要升级的占28%，物流、搬运、体力劳动升级的占23%。2015年，东莞机器换人已经达到1262个项目，总投资超过100亿，而且力争三年要达到80%的企业实现机器换人。江苏、广州、浙江等企业，三省每年在智能制造投入方面投资达到1万亿，占全国总投资的20%以上。 二是我国智能制造供应不足。虽然智能制造需求旺盛，但是我们国家的供应不足。我们国家的装备制造业现在是70%依赖进口，过程装备应用比率不到30%。根据世界银行的统计，我国每年进口的装备达到2万亿台发动机，这样的情况导致过程装备在市场上的占有率大概只有42%，不到一半，进口率达到58%，高端装备进口的比率会更大。因此，我国的整个市场从需求上分析，市场需求量非常大，2013年是3.5万亿到5万亿，我们预计2020年是8万亿到10万亿。这么大的市场肯定要成为我国“十三五”期间经济发展新的增长点。从供给侧来看，我国国内装备不到一半，一半以上需要进口。因此，我们必须发展我们自己国产的装备制造业，用中国装备装备中国制造，应该成为“中国制造2025”的重要核心战略。 三、关注的问题 最后关注几个问题。一是从国家层面来看，我们在促进智能制造和装备制造应该同步发展，要防止智能制造出现“空心化”，不能我们的数字化水平很高，但打开一看里面的装备全部都是国外的、机器人全部是西门子的，这样的情况不是我们想看到的。二是我们要做好三大基础，分别是标准化、基础设施和网络安全、软件，我国在这三方面还需要大大加强。三是人才培养，我国现在及其缺乏综合的智能制造方面人才，特别是系统集成，国家应该今后在这方面加强。今年，智能制造专项在实施过程中也都体现了这些思想。那么，作为企业来说，在发展智能制造过程中应注意哪些问题呢?首先，智能制造是要有基础的。现在想要实施智能制造的企业必须要管好自身基础，做实基础，包括精益生产、质量管理、劳动生产率等。北航有个老师说过三句话，我觉的很好：“不在落后的工业基础上搞自动化，不在落后的管理基础上搞信息化，不要在没有数字化、网络化的基础上搞智能制造”。所以，企业在实施智能制造的时候首先要关注自身基础。二是企业搞智能制造、搞数字化车间要有明确的经济目标，不要盲目追求高大上，不是为智能制造而智能制造，一定要关注投资汇报周期。在南方，一般企业家一年投资回收周期一定干，两年投资回收可以干，三年以上投资回收周期基本就不干了。三是智能制造不会一次就成功，不要希望投资一次就把智能制造搞起来，一定是分批分阶段，一步步提高的。
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  • 《电动汽车的“高效加油站”——直流充电桩》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：tengfei
    • 发布时间：2017-11-20
    • CDM 直流充电桩又称“非车载充电机”，对应于电动汽车内车载充电机的充电设施，其功能类似于加油站里面的加油机。根据对电动汽车的充电方式，充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。交流充电桩主要安装在停车场，造价低廉，适合家用，给普通纯电动轿车充满电需要4~5个小时，俗称“慢充”。直流充电桩具备直接给电池充电的能力，以三相四线制的方式连接电网，能够提供充足的电力，输出的电压和电流调整范围大，俗称“快充”。 第一部分：直流充电桩的构造 直流充电系统是一个整体，是把交流功率系统转化成直流的装置。从构成开看，分变压器、配电柜、直流充电机和充电桩。其特点是： • 充电桩只负责与车辆对接和传输能量，损耗较小 • 配电系统的设计主要是配线、计量和熔丝保护，可以在一个设计单元中扩展和检查 • 直流充电机与充电桩一一配置，远离客户，走线通过地下传输 图示2-直流充电的设施概览 如图所示，整个直流充电机包括： • 充电电源模块：完成AC=>DC的电压和能量转换 • 智能控制模块：包含电源供给和控制部分，基本的功能是完成与电动汽车通信，根据电动汽车的需要来实现充电控制的功能 • 远程监控：需要接收远程监控主机的指令，传送相关数据信息，执行控制指令 • 温度控制：现有功率比较大时，充电电源模块需要散热功能温度控制 • 直流负载接触器 • 漏电保护器：保证交流端和直流端的绝缘检测 • 计费模块：按照国标要求，完成对电能的计量。按照现有的实际情况，一般计费模块包含两部分，与电能表通信，获取充电电量信息，与智能模块进行通信，供给刷卡、二维码计费等信息 • HMI&显示屏：为直流充电桩对外交互的接口，给用户输入信息和显示状态的接口，由于现在普遍支持多种支付的接口（银行卡、IC卡、二维码等内容），也作为HMI的一部分，读取卡内信息，识别用户身份及相关信息，这也是重要的组成部分 图示3-直流充电桩的原理图 从充电电源模块而言，分为整流、PFC、DC/DC变压几个部分，有1~2独立的控制器整流和变压部分，如下图所示。以下蓝色的部分为罗姆可以提供的一些器件。 图示4-充电机系统的核心部件概览 针对充电机系统，罗姆可提供以下解决方案及元器件： SiC-SBD：罗姆不断改善元器件工艺，随着产品的更新换代，实现了低VF。开发出使用SiC的SBD（肖特基势垒二极管），最适合PFC（Power Factor Correction）电路及逆变器用途。实现了Si-FRD（Fast Recovery Diodes）难以实现的极短的反向恢复时间（trr），使得高速开关成为可能。由于反向恢复电荷量（Qrr）小，为降低开关损耗和设备小型化做出贡献。 GateDriver：内置绝缘元器件的栅极驱动器，可实现与SiC相应的高速工作，输入输出延迟时间为Max.150ns的高速工作，使用无铁芯变压器，内置2,500Vrms绝缘元器件，利用独创的噪声消除技术实现了共模抑制，支持高VGS、负电源※BM6101FV-C，BM6104FV-C。 图示5-IPM工作波形（BM6101FV-C） 第二部分：充电桩的实际工作过程 我们首先来看一下整个直流充电桩和电动汽车的交互过程。 图示6-GBT18487.1的交互过程 车辆与充电桩的交互 · 准备阶段主要分三步 第一步，车辆接口连接确认阶段：当我们按下枪头按键，插入车辆插座，再放开枪头按键。直流充电桩将检测到直流充电枪插入的过程（12V-6V-4V）的电平变化。充电桩检测到充电枪插入成功，判定车辆接口完全连接，充电枪中的电子锁会进行锁止，防止枪头脱落。 第二步，直流充电桩自检阶段：在车辆接口完全连接后，充电桩将闭合K3、K4，使低压辅助供电回路导通（车辆将根据监测点2的电压判断车辆接口是否连接，若电压值为6V，则车辆装置开始周期发送通信握手报文），接着闭合K1、K2，进行绝缘检测（即检测DC线路的绝缘电阻），保证后续充电过程的安全性。绝缘检测结束后，将投入泄放回路泄放能量，并断开K1、K2，同时开始周期发送通信握手报文。 第三步，充电准备就绪阶段：电动汽车与直流充电桩相互配置的阶段，车辆控制K5、K6闭合，使充电回路导通，充电桩检测到车辆端电池电压正常（电压与通信报文描述的电池电压误差≤±5%，且在充电桩输出最大、最小电压的范围内）后闭合K1、K2，那么直流充电线路导通，电动汽车就准备开始充电了。 充电阶段：车辆向充电桩实时发送电池充电需求的参数，充电桩会根据该参数实时调整充电电压和电流，并相互发送各自的状态信息（充电桩输出电压电流、车辆电池电压电流、SOC等）。这里是由车辆根据自身的情况向充电机索取电流。 表1-直流充电的过程 充电结束阶段：车辆会根据电池管理系统计算得到的电池状态来判断是否结束充电。 • 车辆会发送“车辆中止充电报文”，在确认充电电流小于5A后断开K5、K6。 • 充电桩在达到充电桩设定的充电结束条件，或车辆发来的“车辆中止充电报文”后，控制充电桩停止充电，在确认充电电流小于5A后断开K1、K2，并再次投入泄放电路，然后再断开K3、K4。 图示7-充电过程概览 第三部分：直流充电桩的分布和未来发展 从全球来看， 2015年充电供电设施（包含四种充电模式，1&2为线缆，3&4分别为交流和直流充电桩）总数达145万个。 • 公共充电站19万个  慢充交流桩超过161802个  快充桩超过27707个 • 私人充电设施126万个 备注：这里的数据是EVI提供，IEA分析的，估计分析值全球电动汽车保有量为126万辆完全一致，存在一些考虑。特别是评估2015年底，中国有25%的自有桩，31.5万充电桩，这里明显有些高估了。 图示8-主要国家的充电桩计量 从整个城市来看，我们可以分两类， 1）目的地充电：购物场所、名胜观光区、游乐场、医院、公园、美术馆、高尔夫球场、旅馆、酒店、饭馆。 2）应急充电：加油站、高速公路、高架道路、铁路、空港。 从性质上分，运营实体都在尝试，车主在哪里，车主会在哪些地方大量使用充电桩，如果这个利用率提不上去，也就完全没有安装充电桩的商业可能性。 应急的充电站，其实是一个双刃剑。要车主等在边上不能久离的。有个很有趣的概念是，车主在快速充电的时候干嘛，说到底，应急充电也要给车主一个目的性他才会常去，否则这些应急的利用率就可想而知。 未来很长一段时间，车企都在解决两个和充电桩密切相关的问题，第一个是通过不断提高电池的容量来不断加大车辆的续航里程；第二个是尽可能缩短充电时间，目前一两个小时的快充，未来有可能要控制在十分钟之内。对于未来的充电桩提出了更高的挑战，未来直流充电桩的最高充电功率是设计成350kW。 图示9-直流充电将往高功率发展 今日小结：经过品牌电动汽车的长期市场教育，中国消费者已经了解并接受电动汽车，多地政府也最大限度地赋予电动汽车在上牌指标、购置补贴、城市道路不限行等政策性优惠和倾斜，也使得电动车市场愈见火热。同时，新能源汽车的“充电难”也日益突显，为缓解城市范围内电动汽车车主的“缺电焦虑”，必将在城区主要路段升级覆盖直流充电桩，这必然孕育着直流充电桩的广阔发展前景，在未来的电动汽车的发展中非常重要，有着广阔的发展前景。
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