更快速、更安全且更智能的充電樁是如何打造的？

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2021年5月27日 11:35

當充電樁在2020年被列入新基建的七大項目之中時，人們似乎看到了一個萬億元的市場即將被撬動，隨之超過26個省市密集出臺了50余項與充電設施相關的政策。但現實是，根據智研咨詢提供的數據顯示，在過去的一年里充電樁的出貨量雖有明顯上升（從12萬到近30萬），卻未出現期望中的井噴。

市場的發展未能盡如人意，固然有各方利益協調的問題，但是從技術的角度來看也存在著各種阻礙因素，其中最亟需解決的是對于用戶的充電體驗至為重要的充電時間，此外則是充電樁信息的實時交互問題，而這些都聚焦于大功率直流充電樁。

焦慮的充電進行時

為了解決電動汽車的充電焦慮問題，更快的充電速度成為快充站的明確要求，實現充電5分鐘，行駛200公里會成為行業的普遍要求。充電樁的直流模塊可以通過提高功率密度和提高充電電壓兩個方向升級，前者需要高性能實時微控制器和支持更高開關頻率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐壓以及更高的轉換效率更高，第三代寬禁帶半導體功率器件將會是很好的選擇。而且隨著第三代半導體開關頻率的提高，需要更復雜的電源拓撲和控制算法，因此對于實時控制器的需求也進一步提高。

提到直流充電樁的主控部分，就必須提到市場上占據份額較高的德州儀器（TI）C2000?微控制器。事實上，C2000微控制器在中國市場久負盛名，早已廣泛用于電力電子控制領域，并在工業和汽車應用中提供高級數字信號處理。在過去 20 多年間C2000微控制器一直處于模數控制革命的前沿，經過不斷發展，現在的第三代性能更為出色：擁有更強的運算能力、更豐富的外設資源。

C2000微控制器實施控制器由于內置C28x數學優化型內核，具有微控制器和數字信號處理器雙重優勢。通過各種高效率計算內核，C2000微控制器可實現μs級環路計算時間。比如在雙向高密度GaN CCM圖騰柱PFC中，利用TMU，C2000微控制器可以將PWM計算從10μs減少到0.5μs以下，確保逐個周期進行自適應死區計算，從而對GaN FET進行最精確和高效的控制。

集成更高級的外設，是C2000微控制器滿足復雜拓撲結構的另一大優勢。通過集成3.6M SPS采樣率，12 位至 16 位分辨率的ADC，實現更高速的電流采樣和電壓采樣；還有150ps分辨率的PWM，這樣就可以滿足第三代半導體更高的開關頻率，實現高動態特性的充電模塊并顯著提高效率、降低尺寸。

為了追求更高的效率而增加總線電壓時，復雜的多電平拓撲變得越來越普遍。NPC和ANPC拓撲是雙向PFC /逆變器最受歡迎的兩種拓撲，它們可以將開關設備上的電壓應力限制為總線電壓的一半。但是，這些拓撲需要來自MCU的更多PWM通道，并且還需要一種特殊的保護方案以在任何停機期間維持電源開關兩端的電壓平衡。C2000微控制器第三代器件提供了獨特的可配置邏輯塊（CLB），可實現板載故障保護方案，以確保在所有工作條件下均提供實時保護，而無需任何外部邏輯電路，類似于FPGAs / CPLDs一樣靈活。例如TIDA-010210 6.6kW 三相三級 ANPC 逆變器/PFC 雙向功率級參考設計中所呈現。

另一方面，針對快速充電樁高效率、高功率密度的電力電子和非常高的功率密度的設計目標，第三代半導體（包括SiC、GaN等）成為市場上冉冉升起的新星，是實現碳達峰、碳中和的最重要的半導體技術。相比此前兩代，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，因此可以減少系統散熱成本及無源器件尺寸，可以提供更高能效或更高功率密度，并且降低系統總成本。

SiC由于推出時間早，用戶覆蓋面更廣。不過“SiC和GaN究竟孰優孰劣目前下結論還為時尚早，如果長期來看，硅基GaN在成本方面的下降空間會更大。”德州儀器華北區技術支持經理付楊表示。無論如何，未來隨著第三代半導體在工藝上的成熟度越來越提高，整體成本優勢會更加凸顯。

TI在這兩個方向上均有布局，SiC方面通過提供集成電容式隔離功能的驅動器，提高系統穩健性和可靠性，減小外形尺寸和輕松符合 EMI 標準。而TI在GaN上的布局則可追溯到2010年，2017年與西門子推出了首個10千瓦連接云電網的轉換器。而且通過不斷嘗試新架構，使GaN適應更廣的電壓范圍，比如800V、1000V，這也為將來在充電樁上看到GaN的身影帶來了更大的可能性。為了保證高可靠性，TI已經針對GaN FET進行了4000多萬小時的器件可靠性測試和超過5 GWh的功率轉換應用測試。同時，為了進一步提高可靠性和集成度，TI推出了GaN與驅動集成的器件。更為亮眼的是，TI在GaN方面擁有自己的工藝和工廠，因此可以確保產品品質和供應的穩定性保障。

在充電時長之外，用戶最痛苦的莫過于需要充電時無法確知前方充電樁的使用情況，這就需要利用安全的無線連接技術遠程接入和控制。TI可以提供從短距離近場通訊（身份識別、信息保護）到遠距離私有協議通信等各類安全無線連接產品，還可兼容常用的BLE、WiFi通訊技術。這些就可以讓充電樁實時更新狀態，用戶得知它的使用情況。

數據安全是用戶和運營商都越來越看重的，因此解決方案要求提供安全的身份鑒權、數據通信等功能。在WiFi產品上，TI很早以前就加入了信息安全保護機制，比如針對外置Flash的數據完整性進行驗證，防止非授權訪問和保護敏感數據，以及完善加密通道、密鑰管理等安全機制。

需要的更多

實際上，一個更安全、更智能、更快速的充電樁涉及到的技術遠不止以上所提到的。比如，超級充電樁由于是大功率高壓戶外場景，具有特殊的安全和可靠性要求，因此在這種場景下使用的隔離器件、柵極器件的穩定性和智能化，對功率器件做出的保護，是直流模塊能否以更安全的狀態運行的前提條件。

據德州儀器華北區技術支持經理付楊介紹，TI正在進行各個方面的創新研究來應對充電樁市場的種種挑戰，其中之一便是如何以更加智能的充電樁來改善用戶體驗，這將需要借助邊緣計算和AI技術。

而在傳統的產品方面，也是在有條不紊地推進。比如TI高集成度的下一代電源產品，將電流采樣和隔離、隔離電源管理芯片，集成在一顆更小的芯片中，幫客戶節省PCB面積和成本；以及在現有的硅器件的基礎上，通過更復雜的拓撲，在沒有使用更高級的功率器件的情況下實現更高功率密度……

在擁有先進的技術之外，TI針對不同的用戶和需求，提供多產品線、不同的合作方式，最關鍵的是，作為一家已深耕中國三十五年的有企業社會責任的企業，愿意通過全面的本地支持，來幫助中國企業成功，融入到中國信息產業發展的大潮中。

2021年的兩會上，與碳達峰、碳中和被首次寫入《政府工作報告》的，還有“增加停車場、充電樁、換電站等設施，加快建設動力電池回收利用體系。”據工信部于2019年末發布《新能源汽車產業發展規劃（2021~2035）》征求意見稿，預計2030年我國新能源汽車保有量將達到6420萬輛。即使車樁比不能實現1:1，也意味著未來充電樁市場必將實現飛躍式發展。順潮流而動并能立于潮頭的秘訣是尋找到能夠一步一個腳印，踏踏實實靜下心來一個問題一個問題來解決的合作伙伴，也許TI會是個最佳選擇。