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四大技術爭奪EV充電樁主流標準
從情境、市場、零組件趨勢解析充電樁布局
[作者 盧傑瑞]   2023年09月23日 星期六 瀏覽人次: [4608]

各國正重點推廣電動車,車廠也紛紛公佈了應對的策略。隨著電動車的普及,意味著汽車的動力來源已從補充汽油的形式,傳換補充電力的形式,這也使得充電站的普及變得非常重要。


目前,汽車電動化(EV)在全球範圍內快速發展。不僅僅在歐洲,因為CO2排放法規而直接推動了電動車的市場成長,各國政府也都重點推廣電動車,例如在2030年後禁止銷售新的ICE汽車(內燃機汽車),因此整車廠也紛紛公佈了應對政策。電動車的普及意味著,汽車的動力來源已從補充汽油的形式,轉換為補充電力的形式,這也使得充電站的普及變得非常重要。


目前電動車有三種充電方式:包括了「日常充電」,也就是晚上在家中充電;「目的地充電」,外出或造訪某個地方時充電;「中途充電」,意即在行駛的過程中,前往充電站充電,如在高速公路的服務區內充電。日常充電和目的地充電,對於日常使用和短途旅行非常重要。而中途充電則是對於長途旅行非常重要。由於不可能在途中充電休息數小時,要像現在的內燃機汽車一樣進行快速汽油補充,因此關鍵是要有充電時間特別短的直流快速充電設施(圖1)。



圖1 : 充電設施和充電場所、充電器輸出。(source:JEITA)
圖1 : 充電設施和充電場所、充電器輸出。(source:JEITA)

全球電動車充電站的設置與成長趨勢

在許多歐洲國家,已通過法律強制要求在住宅和商業場所必須安裝電動汽車充電設施,多數區域已經設置可提供日常充電和目的地充電所需的充電站,因此在當地進行短途旅行,也都無需擔心電力的問題。


而在路線充電方面,歐盟委員會已發佈政策,要求到2030年,在歐洲主要幹道的60公里範圍內,必須安裝一個輸出功率為150千瓦或以上的直流充電站。其他包括中國和美國等地區,也正制定鼓勵廣泛安裝充電站的政策和法規。


如今電動車正在全球加速普及,因此普及充電站勢在必行,根據研究公司富士經濟的預測(圖2),全球直流充電樁的數量,在2035年預計超過210萬座,與2020年相比,呈現5倍以上的高速成長。



圖2 : 歐、美、中、日等,主要國家快速充電樁普及現狀。(source:富士經濟)
圖2 : 歐、美、中、日等,主要國家快速充電樁普及現狀。(source:富士經濟)

另一方面,除了中國之外,高速充電設施在亞洲區域的設置數量還是相對的較少。這是因為不僅僅是「日常充電」部分,在現有住宅區或大樓設置充電器存在著高度的困難,在「目的地充電」和「路線充電」的部分,則是面臨著確保盈利的挑戰。


這是一個先有雞還是先有蛋的爭論,因為現階段電動車普及率不高,所以充電站的需求不大,而且由於充電站設置不普遍下,充電就變成為一個困擾,也就造成電動車更難普及。因此,亞洲各國政府為了克服這種情況,紛紛規劃了各種相對應的方案,例如,日本政府祭出了補助安裝充電設備所需的費用(設備和建築)等措施。


充電站的普及是提高電動車比例所迫切需求的要點之一。儘管電動車充電站在技術上已經成熟,但是否能獲利仍然是其普及的挑戰。雖然所有汽油車都在加油站加油,但就電動車而言,基本上充電大多是在家中完成的,這使得「目的地充電」和「路線充電」的公共充電站的利用率低於目前的加油站。


因此在這樣低利用率的情況下,更需要一個系統來確保利潤。以歐洲為例,多家車廠已經和能源供應商組成聯盟來建立大規模充電業務,透過統一充電平台,以及在各汽車經銷點設置充電站,從而促進電動車充電站的普及。


充電時間過長導致基礎設施複雜

充電基礎設施如此複雜的最大原因是充電(能源供應)所需的時間較長,因為電動車的充電器有兩種不同類型。雖然內燃車的燃料有汽油和柴油不同,但在加油時,無論是哪種燃料最多5分鐘左右即可完成。但是充電器的充電時間的計量單位則多是以小時而不是分鐘來衡量的。


充電器大致可分為「普通充電器」和「快速充電器」。普通充電器價格相對較低,通常放置在獨戶住宅或商業場所的停車位上。首先,使用者需要安裝專用的200V交流電源插座或普通充電器,充電時,需將200V交流電(從專用插座或普通充電器輸出)輸入到電動車中,並透過電動車內的充電器(車載充電器),將交流電轉換為直流電並對電池(鋰離子二次電池)充電。這時用戶需要安裝專用的200V交流電源插座或普通充電器。


專用電源插座和普通充電器的平均輸出電壓為AC 200V和15A電流,因此充電需要相當長的時間。例如,日產LEAF電動車早期型號的電池容量為30kW時,從最低電池電量(當警告燈亮起時),充滿電需要10多個小時。而目前最新款的車型,則是使用40kW電池,使用同樣的充電器下,充電時間更需要長達13個小時。2022年6月所推出的微型車標準電動車Sakura,雖然使用的電池容量變小,僅有20 kW,但是充電時間還是需要8小時左右。這與內燃車相比,補充能源的時間實在相當長。


而「快速充電器」的輸出電壓高達400V至500V DC,最大電流為60A。假設從最低值(警告燈亮起時),充電到80%電量只需30分鐘左右。這與普通充電器的主要區別在於,「快速充電器」有內建變壓電路,可以在將交流電轉換為直流電的同時升壓,並在監控車輛充電量的同時控制輸出電流,使得充電開始時,就可以輸出最大電流輛,當電荷量達到一定水準時,輸出電流則會自動降低。


充電方式、電池電壓與市場趨勢

在這些充電方式中,決定電動車普及的就是「傳導式快速充電器」,也就是所謂的「快速充電器」。大多是應用於中途充電基礎設施中。目前,這種充電器目標是在大約30分鐘內,將電動車電池充電至最大容量的80%。不過市場最大的期待值是將充電時間縮短到5分鐘左右。


圖3顯示了驅動電動車的各種直流充電方法,和電池電壓的市場趨勢。縮短充電時間對於快速擴大電動車市場比例至關重要,目前正在朝向支援更高功率和電壓的充電方法。此外,透過模組化內部電源單元並根據負載分配電力,可以同時為多輛電動車充電,進而有望解決充電時擁堵的現象。



圖3 : DC充電方式和EV驅動用電池電壓的市場技術趨勢。(source:ReVision Auto & Mobility)
圖3 : DC充電方式和EV驅動用電池電壓的市場技術趨勢。(source:ReVision Auto & Mobility)

目前,快速充電器主要有四種標準(圖4)。包括由日本汽車業者所制定的CHAdeMO (CHArge de MOve);中國的GB(Guojia Biaozhun;國家標準)/T 27930 (大多被簡稱 GB/T);美國和歐洲的CCS (Combined Charging System);以及最大的電動車業者-特斯拉所專有的SC (Supercharger)標準。


到2020年底,CHAdeMO標準的全球普及率預計為36,000個,GB/T為300,000個,CCS為13,000個,SC 標準為25,000個,其中絕大多數的GB/T充電器都是在中國。


為了實現未來快速充電器的標準化,日本CHAdeMO 標準制定組織-CHAdeMO 理事會,正在與中國電力企業聯合會合作,共同制定下一代快速充電器的充電標準。在2018年8月22日,雙方宣佈將聯合制定下一代快速充電器的充電標準。隨後在2020年4月發佈CHAdeMO的3.0版,作為日中聯合標準「ChaoJi」連接器規格的設計要求。


預計新一代的「ChaoJi」將提供與CHAdeMO、GB/T、CCS和SC等標準回朔相容的能力。最主要特點是能支援900 kW(1500V X 600A)的高輸出功率,可為一輛大型卡車電動車,和多輛普通車型電動車,同時進行快速充電。未來更進一步的更可為船舶、土木工程施工設備、載客無人機、小型摩托車、電動踏板車和電動自行車等提供充電的能力。



圖4 : 主要快速充電規格的概要。(source:日本CHAdeMO協議會)
圖4 : 主要快速充電規格的概要。(source:日本CHAdeMO協議會)

充電設備功能的轉變與零組件趨勢

此外,隨著電動車的普及,還出現了將驅動電動汽車的電池中的電能,作為社會基礎設施加以利用的趨勢,作為利用再生能源和應對災害的措施,例如許多地區正在引進和展示,以地區為單位來構建能源網路的微電網。


其中,電動車的驅動電池可用於再生能源高峰轉移,以及災害期間作為備用電源(蓄電池)。在這種情況下,電動車充電設備就必須是能同時支援充電和放電的雙向型。因此預計電動車和雙向充電站的普及,將有助於實現利用再生能源的永續社會。


表一顯示了直流充電站中使用的半導體的趨勢。如上所述,功率半導體需要相容於高功率和高電壓,並且具有較低的損耗。因此對於微控制器和電源管理IC來說,希望具有安全性和保護功能、高安全性、FOTA(韌體無線更新)以及可整合的外圍功能以減少BOM,而閘極驅動IC還能夠相容於高電壓和低功耗半導體,以及整合高度微控制器、電源管理IC和其他周邊功能,來減少物件的使用數量。


表1:直流充電站所使用的半導體元件趨勢

產品領域

技術趨勢

電源半導體

 ● 支援大電力、高電壓

 ● 低損耗元件

微控制器

電源管理IC

 ● 安全、機能保護、保全

 ● FOTA

 ● 減少周邊元件使用

閘極元件

 ● 支援高電壓

 ● 高速閘極驅動技術

 ● 減少周邊元件使用


接下來,相信觀察直流充電站中使用的半導體,將隨著直流充電系統功率越來越大,電壓越來越高,所使用的功率半導體的損耗也應該越來越低。這是因為在效率相同的情況下,輸出功率越高,損耗就越大(例如,輸出功率為50kW、效率為98%時,損耗為1kW;輸出功率為400kW、效率為98%時,損耗為8kW,這也就增加了冷卻難度),因此更高的功率輸出需要更大的冷卻系統。


使用低損耗功率半導體可以使冷卻系統的成本更低,體積更小,進而降低系統的成本和體積。因此近年來,市場對SiC MOSFET,和Si IGBT的期望也越來越高,期望透過更先進的MOSFET來設計出,允許使用同步整流和更高的開關頻率,實現更便宜的冷卻系統和更小的被動元件。


充電電源的改變與趨勢

近十年科技最大轉變之一,就是車輛將從加油站補充動力來源轉變成充電站。在電動車基礎設施的早期,AC充電器雖然便宜又方便,但充電速度卻是非常慢,只能提供22kW的最大功率。因此目前許多公共場所的充電據點正在更換為直流充電器,來提高週轉率。即使是較低功率的直流快速充電器50kW,充電速度也可比最好的交流電充電器快上一倍。


因此可預期的是直流充電器正在成為公共充電的標準,使得安裝數量將持續成長,反之,交流充電成長預計將會須放緩。雖然我們仍然看到交流充電在家庭中的使用,提供一或兩輛車進行過夜充電,但這對於許多的公共區域充電點運營商,或企業來說根本不可行。


無論如何,電動車充電市場正在快速成長。也正促使充電元件相關產業,可以伴隨著電動車充電的變而發展。儘管今天仍然看到非常多關於充電器連接或電池儲存的問題,但相信全球快速擴充中的電動車充電基礎設施,必定會強化電動車的市場規模呈現更高速的成長。


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