兆瓦级商用汽车快充，“可控硅方案”完胜“碳化硅方案”

近几年，全球电动汽车行业发展迅速，充电桩等基础设施建设也不断跟进。根据IEA发布的数据显示，2021年我国拥有世界上约85%的快速充电桩和55%的慢速充电桩。而截至2022年底，我国新能源车的保有量为1310万辆，公共充电桩和私人充电桩保有量分别为180万个、341万个，车桩比达到2.51:1。

图 | 中国新能源汽车与充电桩保有量，数据源：中航证券

从充电速度的角度来看，当前市面上多数直流充电桩的功率在60kW左右，比较高的能够达到280kW，因此350kW的充电标准已经足够满足当前乘用车的驾驶所需。但是对于重卡等大型商用车辆来说，其电池容量可达800~1000kWh，即使用350kW的标准去充电，也要花费2.5~3个小时，这对于跑运输的公司来说是不可接受的。因此，今天的重型商用车辆的充电标准中，其最大充电功率已经达到2.2MW，未来或进一步扩展至3.75MW。

然而，即使标准解决了充电功率的问题，当前对于重型商用车辆来说，面临的更严峻的问题是充电桩的数量，没有足够的充电点来支撑更远途的运输工作，比如深圳已经普及的电动卡车基本都只是跑市内运输。

带着这两个问题，与非网在PCIM Asia2023上采访到了功率电子领域的专家——Littelfuse全球功率半导体应用首席顾问Martin Schulz，从前面提到的这两个角度来探讨行业现状与建议的解决方案。

图 | Littelfuse全球功率半导体应用首席顾问Martin Schulz（右），与非网副主编夏珍（左）

兆瓦级商用汽车快充，“可控硅方案”的效率可达99.8%

当前乘用车的充电标准电流是500A，所谓的800V电池，其截止电压为920V，但实际中我们能达到的最大充电功率为350kW，少于理论中的460kW。同样，当前商用车的充电标准电流是3000A，截止电压为1250V，但实际中能达到的最大充电功率为2.2MW，未来或将填补标准的空白，将充电功率提升至3.75MW。

图 | 商用车辆充电标准

如下图所示，如今构建电动汽车充电桩的经典方案，包含了输入滤波、保护、整流、功率因数控制、隔离等环节，最终的系统是由多个子系统堆叠而成，从而形成更高的功率水平。现在的经典子系统功率范围通常为60~100kW，因此输出功率的多少取决于子系统的个数。

Martin Schulz表示：“当前采用碳化硅方案的效率大约为97~98%，但还不能支持CCS需求的全电压范围，输出电压范围还是在250~750V之间，不是完整充电标准的200~920V这个范围。”

图 | 电动汽车充电桩经典方案示意图，图源：Littelfuse

此外，在这种方案中，我们可以看到每一个子系统的LLC电路中，都需要一个隔离变压器，这将导致体积无法继续缩小。

图 | 采用电绝缘的解决方案，图源：Littelfuse

当然，这样的变压器隔离不是强制性的，就像10年前，太阳能逆变器被要求具有隔离功能，但一旦上了隔离变压器，效率就会受到影响，于是人们就从技术和控制的角度去避免这个问题，所以当技术足够成熟后，一部分太阳能逆变器就放弃了变压器隔离，这也是为什么今天我们看到的太阳能逆变器都是直接连接的原因所在。或许，未来在电动车市场上也会发生同样的事情。

其次，即使现在的标准提到了要电流隔离，但并没有规定一定要放在哪个位置，唯一的要求就是电池和驱动电网要分开。目前中压变压器的效率很高，可以做到超过99%。所以在中压电网中，为了进一步提高功率密度，我们还可以将每个子系统中单独的隔离提到前一个环节，给中压系统先做隔离。

Martin Schulz认为：“今天的电池充电有点类似于已经有50多年历史的电解方案，完全可以参考其完善的B12H或B12C拓扑为MW级充电设施服务。”

图 | 可控硅方案的效率可达99.8%，完胜碳化硅方案的97%

根据Littelfuse的验证数据显示，通过采用可控硅N1718NC200的方案，其充电效率可达99.8%，远超碳化硅方案的97%。同时，采用该种拓扑结构的设备将获得非线性的损耗，如果电流增加一倍，正向损耗也只会增加10%；但如果用MOSFET做同样的事情，其正向损耗将会增加4倍。

此外，由于碳化硅MOSFET方案中损耗最终转化成为热能，需要冷却器来进行冷却，因此其设备体积是相当大的，而采用可控硅的方案只需其体积的10%（当然，前提条件是已经拥有中压变压器）。

结合这些因素，可控硅的方案在经济效益方面是非常突出的。下面以2.5MW容量、50%占空比的场景进行了可控硅方案和碳化硅方案的对比，最终得出结论：每年可从冷却方案中节约1571万欧元，从降低损耗中节约4957万欧元，总计6529万欧元。

图：可控硅方案带来的潜在经济效益，图源：Littelfuse

当然，除了效率以外，大功率可控硅驱动方案在可用性、可靠性和寿命方面也是其他方案不可比拟的。

“政策+产业”双轮驱动重型商用车的充电桩布局，或为最佳出路

从市场角度来看，受到疫情等多重因素影响，2022年我国重卡总销量下降52%，而电动重卡销量近2.3万辆，同比+ 119%，实现逆势增长。其中换电重卡销量1.24万辆，同比+184%，渗透率由42%进一步提升至54%。

从政策角度来看，我国从国家到地方都出台了一系列政策，来鼓励河北、内蒙等钢铁、煤炭发达地区电动重卡的率先替换，同时加速换电站、充电桩等基础设施的完善。

从经济角度来看，目前柴油价格约为8100元/吨，充、换电版本对比同级别燃油车型，保守预测全生命周期成本分别可节省 8.8/7.2万元。

综合以上信息，我们可以得出两个结论，第一，电动重卡潜在市场较大；第二，重卡充电桩的普及率不够，中国正在执行“充电+换电”两条腿走路的方案，最终哪种方案能够胜出，还需要依赖政府的扶持和市场的决策。但在解决方案层面，Littelfuse给出的可控硅方案，或成为兆瓦级商用汽车快充的最优解。