四大技术争夺EV充电桩主流标准

各国正重点推广电动车，车厂也纷纷公布了应对的策略。随着电动车的普及，意味着汽车的动力来源已从补充汽油的形式，传换补充电力的形式，这也使得充电站的普及变得非常重要。
目前，汽车电动化（EV）在全球范围内快速发展。不仅仅在欧洲，因为CO2排放法规而直接推动了电动车的市场成长，各国政府也都重点推广电动车，例如在2030年后禁止销售新的ICE汽车（内燃机汽车），因此整车厂也纷纷公布了应对政策。电动车的普及意味着，汽车的动力来源已从补充汽油的形式，转换为补充电力的形式，这也使得充电站的普及变得非常重要。
目前电动车有三种充电方式：包括了「日常充电」，也就是晚上在家中充电；「目的地充电」，外出或造访某个地方时充电；「中途充电」，意即在行驶的过程中，前往充电站充电，如在高速公路的服务区内充电。日常充电和目的地充电，对于日常使用和短途旅行非常重要。而中途充电则是对于长途旅行非常重要。由于不可能在途中充电休息数小时，要像现在的内燃机汽车一样进行快速汽油补充，因此关键是要有充电时间特别短的直流快速充电设施（图1）。

 

图1 : 充电设施和充电场所、充电器输出。（source：JEITA）

全球电动车充电站的设置与成长趋势
在许多欧洲国家，已通过法律强制要求在住宅和商业场所必须安装电动汽车充电设施，多数区域已经设置可提供日常充电和目的地充电所需的充电站，因此在当地进行短途旅行，也都无需担心电力的问题。
而在路线充电方面，欧盟委员会已发布政策，要求到2030年，在欧洲主要干道的60公里范围内，必须安装一个输出功率为150千瓦或以上的直流充电站。其他包括中国和美国等地区，也正制定鼓励广泛安装充电站的政策和法规。
如今电动车正在全球加速普及，因此普及充电站势在必行，根据研究公司富士经济的预测（图2），全球直流充电桩的数量，在2035年预计超过210万座，与2020年相比，呈现5倍以上的高速成长。

 
图2 : 欧、美、中、日等，主要国家快速充电桩普及现状。（source：富士经济)

另一方面，除了中国之外，高速充电设施在亚洲区域的设置数量还是相对的较少。这是因为不仅仅是「日常充电」部分，在现有住宅区或大楼设置充电器存在着高度的困难，在「目的地充电」和「路线充电」的部分，则是面临着确保盈利的挑战。
这是一个先有鸡还是先有蛋的争论，因为现阶段电动车普及率不高，所以充电站的需求不大，而且由于充电站设置不普遍下，充电就变成为一个困扰，也就造成电动车更难普及。因此，亚洲各国政府为了克服这种情况，纷纷规划了各种相对应的方案，例如，日本政府祭出了补助安装充电设备所需的费用（设备和建筑）等措施。
充电站的普及是提高电动车比例所迫切需求的要点之一。尽管电动车充电站在技术上已经成熟，但是否能获利仍然是其普及的挑战。虽然所有汽油车都在加油站加油，但就电动车而言，基本上充电大多是在家中完成的，这使得「目的地充电」和「路线充电」的公共充电站的利用率低于目前的加油站。
因此在这样低利用率的情况下，更需要一个系统来确保利润。以欧洲为例，多家车厂已经和能源供货商组成联盟来建立大规模充电业务，透过统一充电平台，以及在各汽车经销点设置充电站，从而促进电动车充电站的普及。

充电时间过长导致基础设施复杂
充电基础设施如此复杂的最大原因是充电（能源供应）所需的时间较长，因为电动车的充电器有两种不同类型。虽然内燃车的燃料有汽油和柴油不同，但在加油时，无论是哪种燃料最多5分钟左右即可完成。但是充电器的充电时间的计量单位则多是以小时而不是分钟来衡量的。
充电器大致可分为「普通充电器」和「快速充电器」。普通充电器价格相对较低，通常放置在独户住宅或商业场所的停车位上。首先，使用者需要安装专用的200V交流电源插座或普通充电器，充电时，需将200V交流电（从专用插座或普通充电器输出）输入到电动车中，并透过电动车内的充电器（车载充电器），将交流电转换为直流电并对电池（锂离子二次电池）充电。这时用户需要安装专用的200V交流电源插座或普通充电器。
专用电源插座和普通充电器的平均输出电压为AC 200V和15A电流，因此充电需要相当长的时间。例如，日产LEAF电动车早期型号的电池容量为30kW时，从最低电池电量(当警告灯亮起时)，充满电需要10多个小时。而目前最新款的车型，则是使用40kW电池，使用同样的充电器下，充电时间更需要长达13个小时。2022年6月所推出的微型车标准电动车Sakura，虽然使用的电池容量变小，仅有20 kW，但是充电时间还是需要8小时左右。这与内燃车相比，补充能源的时间实在相当长。
而「快速充电器」的输出电压高达400V至500V DC，最大电流为60A。假设从最低值（警告灯亮起时），充电到80%电量只需30分钟左右。这与普通充电器的主要区别在于，「快速充电器」有内建变压电路，可以在将交流电转换为直流电的同时升压，并在监控车辆充电量的同时控制输出电流，使得充电开始时，就可以输出最大电流辆，当电荷量达到一定水平时，输出电流则会自动降低。

充电方式、电池电压与市场趋势
在这些充电方式中，决定电动车普及的就是「传导式快速充电器」，也就是所谓的「快速充电器」。大多是应用于中途充电基础设施中。目前，这种充电器目标是在大约30分钟内，将电动车电池充电至最大容量的80%。不过市场最大的期待值是将充电时间缩短到5分钟左右。
图3显示了驱动电动车的各种直流充电方法，和电池电压的市场趋势。缩短充电时间对于快速扩大电动车市场比例至关重要，目前正在朝向支持更高功率和电压的充电方法。此外，透过模块化内部电源单元并根据负载分配电力，可以同时为多辆电动车充电，进而有望解决充电时拥堵的现象。

 
图3 : DC充电方式和EV驱动用电池电压的市场技术趋势。（source：ReVision Auto & Mobility）

目前，快速充电器主要有四种标准(图4)。包括由日本汽车业者所制定的CHAdeMO (CHArge de MOve)；中国的GB(Guojia Biaozhun;国家标准)/T 27930 (大多被简称 GB/T)；美国和欧洲的CCS (Combined Charging System)；以及最大的电动车业者-特斯拉所专有的SC (Supercharger)标准。
到2020年底，CHAdeMO标准的全球普及率预计为36,000个，GB/T为300,000个，CCS为13,000个，SC 标准为25,000个，其中绝大多数的GB/T充电器都是在中国。
为了实现未来快速充电器的标准化，日本CHAdeMO 标准制定组织-CHAdeMO 理事会，正在与中国电力企业联合会合作，共同制定下一代快速充电器的充电标准。在2018年8月22日，双方宣布将联合制定下一代快速充电器的充电标准。随后在2020年4月发布CHAdeMO的3.0版，作为日中联合标准「ChaoJi」连接器规格的设计要求。
预计新一代的「ChaoJi」将提供与CHAdeMO、GB/T、CCS和SC等标准回朔兼容的能力。最主要特点是能支持900 kW(1500V X 600A)的高输出功率，可为一辆大型卡车电动车，和多辆普通车型电动车，同时进行快速充电。未来更进一步的更可为船舶、土木工程施工设备、载客无人机、小型摩托车、电动踏板车和电动自行车等提供充电的能力。

 
图4 : 主要快速充电规格的概要。（source：日本CHAdeMO协议会）

充电设备功能的转变与零组件趋势
此外，随着电动车的普及，还出现了将驱动电动汽车的电池中的电能，作为社会基础设施加以利用的趋势，作为利用再生能源和应对灾害的措施，例如许多地区正在引进和展示，以地区为单位来构建能源网络的微电网。
其中，电动车的驱动电池可用于再生能源高峰转移，以及灾害期间作为备用电源（蓄电池）。在这种情况下，电动车充电设备就必须是能同时支持充电和放电的双向型。因此预计电动车和双向充电站的普及，将有助于实现利用再生能源的永续社会。
表一显示了直流充电站中使用的半导体的趋势。如上所述，功率半导体需要兼容于高功率和高电压，并且具有较低的损耗。因此对于微控制器和电源管理IC来说，希望具有安全性和保护功能、高安全性、FOTA(韧体无线更新)以及可整合的外围功能以减少BOM，而闸极驱动IC还能够兼容于高电压和低功耗半导体，以及整合高度微控制器、电源管理IC和其他周边功能，来减少对象的使用数量。

表1：直流充电站所使用的半导体组件趋势

接下来，相信观察直流充电站中使用的半导体，将随着直流充电系统功率越来越大，电压越来越高，所使用的功率半导体的损耗也应该越来越低。这是因为在效率相同的情况下，输出功率越高，损耗就越大(例如，输出功率为50kW、效率为98%时，损耗为1kW；输出功率为400kW、效率为98%时，损耗为8kW，这也就增加了冷却难度)，因此更高的功率输出需要更大的冷却系统。
使用低损耗功率半导体可以使冷却系统的成本更低，体积更小，进而降低系统的成本和体积。因此近年来，市场对SiC MOSFET，和Si IGBT的期望也越来越高，期望透过更先进的MOSFET来设计出，允许使用同步整流和更高的开关频率，实现更便宜的冷却系统和更小的被动组件。

充电电源的改变与趋势
近十年科技最大转变之一，就是车辆将从加油站补充动力来源转变成充电站。在电动车基础设施的早期，AC充电器虽然便宜又方便，但充电速度却是非常慢，只能提供22kW的最大功率。因此目前许多公共场所的充电据点正在更换为直流充电器，来提高周转率。即使是较低功率的直流快速充电器50kW，充电速度也可比最好的交流电充电器快上一倍。
因此可预期的是直流充电器正在成为公共充电的标准，使得安装数量将持续成长，反之，交流充电成长预计将会须放缓。虽然我们仍然看到交流充电在家庭中的使用，提供一或两辆车进行过夜充电，但这对于许多的公共区域充电点运营商，或企业来说根本不可行。
无论如何，电动车充电市场正在快速成长。也正促使充电组件相关产业，可以伴随着电动车充电的变而发展。尽管今天仍然看到非常多关于充电器连接或电池储存的问题，但相信全球快速扩充中的电动车充电基础设施，必定会强化电动车的市场规模呈现更高速的成长。