更快速、更安全且更智能的充電樁是如何打造的？
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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(shè)施相關(guān)的政策。但現(xiàn)實是，根據(jù)智研咨詢提供的數(shù)據(jù)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(xiàn)期望中的井噴。市場的發(fā)展未能盡如人意，固然有各方利益協(xié)調(diào)的問題，但是從技術(shù)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(xiàn)充電5分鐘，行駛200公里會成為行業(yè)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(guān)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(zhuǎn)換效率，第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件將會是很好的選擇。而且隨著第三代半導(dǎo)體開關(guān)頻率的提高，需要更復(fù)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(jù)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(lǐng)域，并在工業(yè)和汽車應(yīng)用中提供高級數(shù)字信號處理。在過去 20 多年間C2000微控制器一直處于模數(shù)控制革命的前沿，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)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(shè)資源。
C2000微控制器實施控制器由于內(nèi)置C28x數(shù)學(xué)優(yōu)化型內(nèi)核，具有微控制器和數(shù)字信號處理器雙重優(yōu)勢。通過各種高效率計算內(nèi)核，C2000微控制器可實現(xiàn)μs級環(huán)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(yīng)死區(qū)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(shè)，是C2000微控制器滿足復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的另一大優(yōu)勢。通過集成3.6M SPS采樣率，12 位至 16 位分辨率的ADC，實現(xiàn)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(dǎo)體更高的開關(guān)頻率，實現(xiàn)高動態(tài)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(fù)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(guān)設(shè)備上的電壓應(yīng)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(guān)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(xiàn)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(shè)計中所呈現(xiàn)。
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(shè)計目標，第三代半導(dǎo)體（包括SiC、GaN等）成為市場上冉冉升起的新星，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的最重要的半導(dǎo)體技術(shù)。相比此前兩代，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能，因此可以減少系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)孰劣目前下結(jié)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?！钡轮輧x器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊表示。無論如何，未來隨著第三代半導(dǎo)體在工藝上的成熟度越來越提高，整體成本優(yōu)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(qū)動器，提高系統(tǒng)穩(wěn)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(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。而且通過不斷嘗試新架構(gòu)，使GaN適應(yīng)更廣的電壓范圍，比如800V、1000V（可參考），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(jīng)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(zhuǎn)換應(yīng)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(qū)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(chǎn)品品質(zhì)和供應(yīng)的穩(wěn)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(shù)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(xié)議通信等各類安全無線連接產(chǎn)品，還可兼容常用的BLE、WiFi通訊技術(shù)。這些就可以讓充電樁實時更新狀態(tài)，用戶得知它的使用情況。
數(shù)據(jù)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(quán)、數(shù)據(jù)通信等功能。在WiFi產(chǎn)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(shù)據(jù)完整性進行驗證，防止非授權(quán)訪問和保護敏感數(shù)據(jù)，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(shù)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(wěn)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(tài)運行的前提條件。
據(jù)德州儀器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊介紹，TI正在進行各個方面的創(chuàng)新研究來應(yīng)對充電樁市場的種種挑戰(zhàn)，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(shù)。
而在傳統(tǒng)的產(chǎn)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(chǎn)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(jié)省PCB面積和成本；以及在現(xiàn)有的硅器件的基礎(chǔ)上，通過更復(fù)雜的拓撲，在沒有使用更高級的功率器件的情況下實現(xiàn)更高功率密度……
在擁有先進的技術(shù)之外，TI針對不同的用戶和需求，提供多產(chǎn)品線、不同的合作方式，最關(guān)鍵的是，作為一家已深耕中國三十五年的有企業(yè)社會責(zé)任的企業(yè)，愿意通過全面的本地支持，來幫助中國企業(yè)成功，融入到中國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shè)施，加快建設(shè)動力電池回收利用體系?！睋?jù)工信部于2019年末發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035）》征求意見稿，預(yù)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(xiàn)1:1，也意味著未來充電樁市場必將實現(xiàn)飛躍式發(fā)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。一直以來，TI都堅持如此，并致力于創(chuàng)造更好的未來。TI將始終如一，與您攜手迎接未來挑戰(zhàn)！如需獲取更多在線技術(shù)支持，請訪問TI E2E 中文支持論壇（e2echina.ti.com）。
?“轉(zhuǎn)評贊收藏 在看”，多互動能更及時收到我們的最新消息！點擊“閱讀原文”，了解更多關(guān)于TI助力新能源汽車及充電樁的內(nèi)容吧！
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(shè)施相關(guān)的政策。但現(xiàn)實是，根據(jù)智研咨詢提供的數(shù)據(jù)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(xiàn)期望中的井噴。市場的發(fā)展未能盡如人意，固然有各方利益協(xié)調(diào)的問題，但是從技術(shù)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(xiàn)充電5分鐘，行駛200公里會成為行業(yè)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(guān)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(zhuǎn)換效率，第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件將會是很好的選擇。而且隨著第三代半導(dǎo)體開關(guān)頻率的提高，需要更復(fù)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(jù)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(lǐng)域，并在工業(yè)和汽車應(yīng)用中提供高級數(shù)字信號處理。在過去 20 多年間C2000微控制器一直處于模數(shù)控制革命的前沿，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)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(shè)資源。
C2000微控制器實施控制器由于內(nèi)置C28x數(shù)學(xué)優(yōu)化型內(nèi)核，具有微控制器和數(shù)字信號處理器雙重優(yōu)勢。通過各種高效率計算內(nèi)核，C2000微控制器可實現(xiàn)μs級環(huán)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(yīng)死區(qū)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(shè)，是C2000微控制器滿足復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的另一大優(yōu)勢。通過集成3.6M SPS采樣率，12 位至 16 位分辨率的ADC，實現(xiàn)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(dǎo)體更高的開關(guān)頻率，實現(xiàn)高動態(tài)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(fù)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(guān)設(shè)備上的電壓應(yīng)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(guān)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(xiàn)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(shè)計中所呈現(xiàn)。
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(shè)計目標，第三代半導(dǎo)體（包括SiC、GaN等）成為市場上冉冉升起的新星，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的最重要的半導(dǎo)體技術(shù)。相比此前兩代，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能，因此可以減少系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)孰劣目前下結(jié)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?！钡轮輧x器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊表示。無論如何，未來隨著第三代半導(dǎo)體在工藝上的成熟度越來越提高，整體成本優(yōu)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(qū)動器，提高系統(tǒng)穩(wěn)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(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。而且通過不斷嘗試新架構(gòu)，使GaN適應(yīng)更廣的電壓范圍，比如800V、1000V（可參考），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(jīng)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(zhuǎn)換應(yīng)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(qū)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(chǎn)品品質(zhì)和供應(yīng)的穩(wěn)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(shù)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(xié)議通信等各類安全無線連接產(chǎn)品，還可兼容常用的BLE、WiFi通訊技術(shù)。這些就可以讓充電樁實時更新狀態(tài)，用戶得知它的使用情況。
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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(shù)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(wěn)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(tài)運行的前提條件。
據(jù)德州儀器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊介紹，TI正在進行各個方面的創(chuàng)新研究來應(yīng)對充電樁市場的種種挑戰(zhàn)，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(shù)。
而在傳統(tǒng)的產(chǎn)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(chǎn)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(jié)省PCB面積和成本；以及在現(xiàn)有的硅器件的基礎(chǔ)上，通過更復(fù)雜的拓撲，在沒有使用更高級的功率器件的情況下實現(xiàn)更高功率密度……
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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(shè)施，加快建設(shè)動力電池回收利用體系?！睋?jù)工信部于2019年末發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035）》征求意見稿，預(yù)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(xiàn)1:1，也意味著未來充電樁市場必將實現(xiàn)飛躍式發(fā)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。一直以來，TI都堅持如此，并致力于創(chuàng)造更好的未來。TI將始終如一，與您攜手迎接未來挑戰(zhàn)！如需獲取更多在線技術(shù)支持，請訪問TI E2E 中文支持論壇（e2echina.ti.com）。
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