Markt- und Technologietrends für Ladestationen für Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge (EVs) werden aufgrund der Regulierung des CO2-Ausstoßes rasant gefördert. Die Elektrifizierung von Automobilen schreitet weltweit voran, wobei sich jedes Land auf die Elektrifizierung konzentriert, beispielsweise durch das Verbot des Verkaufs neuer Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE). nach 2030. Die Verbreitung von Elektrofahrzeugen bedeutet auch, dass Energie, die bisher als Benzin verteilt wurde, durch Elektrizität ersetzt wird, was die Bedeutung und Verbreitung von Ladestationen erhöht. Wir werden die Markttrends von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Technologietrends und optimale Halbleiter im Detail vorstellen.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge können in drei Typen eingeteilt werden: AC Level 1 – Ladegeräte für Privathaushalte, AC Level 2 – öffentliche Ladegeräte und DC-Schnellladegeräte zur Unterstützung des Schnellladens der Elektrofahrzeuge. Da sich die weltweite Verbreitung von Elektrofahrzeugen beschleunigt, ist die flächendeckende Nutzung von Ladestationen von entscheidender Bedeutung. Die Prognose der Yole Group (Abbildung 1) geht davon aus, dass der Markt für Gleichstromladegeräte mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR 2020–26) von 15,6 % wachsen wird.

Die folgende Abbildung 2 zeigt eine Beispielschaltung einer DC-Ladestation für Elektrofahrzeuge. Es wird erwartet, dass die Einführung von Elektrofahrzeugen bis 2030 140–200 Millionen Einheiten erreichen wird, was bedeutet, dass wir über mindestens 140 Millionen winzige Energiespeicher mit einer Gesamtspeicherkapazität von 7 TWH verfügen würden. Dies würde zu einer zunehmenden Verbreitung bidirektionaler Ladegeräte im Elektrofahrzeug selbst führen. Typischerweise sehen wir zwei Arten von Technologien – V2H (Vehicle to Home) und V2G (Vehicle to Grid). Da die Verbreitung von Elektrofahrzeugen zunimmt, zielt V2G darauf ab, erhebliche Strommengen aus Fahrzeugbatterien bereitzustellen, um den Energiebedarf auszugleichen. Darüber hinaus kann die Technologie den Energieverbrauch basierend auf der Tageszeit und den Betriebskosten optimieren; Beispielsweise können Elektrofahrzeuge zu Spitzenzeiten des Energieverbrauchs zur Rückspeisung ins Netz genutzt werden und außerhalb der Spitzenzeiten zu geringeren Kosten aufgeladen werden. Abbildung 3 zeigt die typische Implementierung eines bidirektionalen EV-Ladegeräts.

Die folgende Abbildung 4 zeigt die Markttrends für jede DC-Lademethode und die Spannung der EV-Antriebsbatterie. Die Verkürzung der Ladezeit ist für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung, und die Umstellung auf Lademethoden, die höhere Leistung und höhere Spannung unterstützen, schreitet voran. Darüber hinaus ist es durch die Modularisierung des internen Netzteils und die Lastzuteilung möglich, mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig zu laden, wodurch Ladestaus vermieden werden sollen.

Als nächstes werden wir über Halbleiter sprechen, die in DC-Ladestationen verwendet werden. Wir können deutlich erkennen, dass der Trend beim DC-Laden zu höherer Leistung und höherer Spannung geht. Daher ist es wünschenswert, dass die verwendeten Leistungshalbleiter eine geringere Verlustleistung aufweisen. Dies liegt daran, dass bei höherer Leistungsabgabe selbst bei gleichem Systemwirkungsgrad der Gesamtverlust an Leistung sehr hoch sein kann. Beispiel: 50-kW-Gleichstromladegeräte mit einem Wirkungsgrad von 98 % haben einen Leistungsverlust von 1 kW, und 400-kW-Gleichstromladegeräte mit dem gleichen Wirkungsgrad hätten einen Leistungsverlust von 8 kW. Dies führt zu einem sehr großen Kühlsystem. Dies drängt Ingenieure dazu, Leistungsgeräte der neuen Generation in Betracht zu ziehen, um den Leistungsverlust zu reduzieren. In den letzten Jahren sind die Erwartungen nicht nur an IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) aus Silizium (Si), sondern auch an MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) aus Siliziumkarbid (SiC) gestiegen. MOSFET-basierte Designs ermöglichen synchrone Gleichrichtung, höhere Schaltfrequenzen, kostengünstigere Kühlsysteme und kleinere passive Komponenten.

Tabelle 1 zeigt die Halbleitertrends für DC-Ladestationen. Wie bereits erwähnt, müssen Leistungshalbleiter hohe Leistungen und Spannungen bei geringeren Verlusten unterstützen. Bei Mikrocontrollern und Energiemanagement-ICs ist es wünschenswert, Sicherheits- und Schutzfunktionen, hohe Sicherheit, Firmware-Over-the-Air (FOTA) drahtlose Kommunikationsaktualisierungen und Peripheriefunktionen zu integrieren, um die Stückliste (BOM) zu reduzieren; und Gate-Treiber-ICs ähneln Mikrocontrollern und Energiemanagement-ICs, bei denen eine Reduzierung der Stücklisten durch Hochspannungsunterstützung und Technologie zum Schalten von Leistungshalbleitern mit Halbleitern mit geringerer Verlustleistung erforderlich ist.

Eine Beispielanwendung für eine DC-Ladestation ist in Abbildung 5 dargestellt. Die IGBTs von Renesas erreichen nicht nur geringe Verluste: niedrige VCE(sat) = Sättigungsspannung zwischen Kollektor-Emittern, sondern unterdrücken auch charakteristische Schwankungen der Schwellenspannung (Vth). IGBTs schalten sich ein. Dies unterdrückt die Fehlausrichtung des IGBT-Timings bei paralleler Verwendung mit Hochstromsteuerung, wodurch die Unsymmetrie während der Parallelschaltung verbessert und Stabilität und Sicherheit verbessert werden. Gleichzeitig weist es eine hohe Zuverlässigkeit auf und eignet sich daher ideal für DC-Ladestationen, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erfordern. Darüber hinaus bieten die Mikrocontroller von Renesas eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten. Darüber hinaus ist es mit einem Hochleistungs-Timer ausgestattet, der hohe Schaltfrequenzen bewältigen kann und so zur Miniaturisierung des Systems und zur Reduzierung der peripheren Stücklisten beiträgt. In Kombination mit einem Energiemanagement-IC vereinfacht es das Design von Mikrocontroller-Fehlerüberwachungs- und Diagnosefunktionen und minimiert die Stücklistenkosten. Gate-Treiber-ICs verfügen über eine hohe Ansteuerfähigkeit und können Hochleistungs-Leistungshalbleiter ansteuern. Darüber hinaus unterstützt es auch die parallele Ansteuerung von Leistungshalbleitern, was einen hohen Stromverbrauch bei gleichzeitiger Stücklistenreduzierung ermöglicht.

Renesas bietet eine breite Palette von Halbleitern für die Märkte für erneuerbare Energien, Mikronetze und Leistungselektronik wie Elektrofahrzeuge. Renesas bietet auch erfolgreiche Kombinationslösungen an, die Halbleiter (Leistungshalbleiter + Mikrocontroller + analoge Produkte) kombinieren und Informationen zum Hardware-Design und Software-Design für jede Einheit sowie die Halbleiter bereitstellt. Durch den Einsatz dieser Gleichstrom-Schnellladestation für Elektrofahrzeuge kann auf die Geräteauswahl und das Prototypendesign für jedes Produkt verzichtet werden, was die Entwicklungszeit verkürzt und die Entwicklungskosten für den Kunden senkt. Benutzer können die empfohlenen Produkte dieser Lösung ganz einfach im Online-Shop von Renesas kaufen, indem sie auf diesen Link klicken, um sie in den Warenkorb zu legen.

Derzeit vollzieht sich in der gesamten Gesellschaft ein großer Wandel in Richtung Null-Emissionen. Der Ausbau des Marktes für erneuerbare Energien, die Umstellung auf Elektrofahrzeuge und die Verbreitung von Ladestationen dürften sich in Zukunft rasch beschleunigen. Renesas wird zur Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft beitragen, die erneuerbare Energien nutzt, indem es Halbleiter bereitstellt, die den Markttrends entsprechen, und erfolgreiche Kombinationslösungen für diese emissionsfreie Gesellschaft bereitstellt.

Weitere erfolgreiche Kombinationslösungen für Ladestationen für Elektrofahrzeuge finden Sie unter renesas.com/e-mobility.