为了应对全球变暖和气候变化，许多国家都设定了到2050年实现二氧化碳净零排放的目标。为实现这一目标，需要减少交通运输行业的排放，而交通运输行业是能源密集型行业，向电动汽车（EV）的转型在其中发挥着重要作用。本文将为您介绍电动汽车产业的发展趋势，以及由Murata（村田制作所）所推出面向纯电动汽车智能基础设施的直流充电解决方案。
大功率直流急速充电技术支持电动汽车的大范围普及
为了达成到2050年实现二氧化碳净零排放的目标，许多国家和地区都设定了政策目标，到2035年停止销售新的内燃机（ICE）汽车。此类政策转变正在推动整个汽车行业加大力度，减少交通运输排放。此外，根据国际能源署（IEA）的数据，到2050年，预计道路上几乎全部乘用车和商用车都将是电动汽车或燃料电池汽车。
此外，汽车行业正在寻求参与“基于科学的目标”倡议，该倡议旨在为脱碳和可持续发展提供清晰的路径。此类倡议不仅适用在单个公司内部，也可适用于整个行业范围内，有助于设定共同的减排目标。
在社会需求和原始设备制造商（OEM）主导的行业倡议的推动下，新基础设施的建设也在不断推进。随着纯电动汽车（BEV）和零排放汽车（ZEV）的普及，对支持这些车辆的直流充电桩的需求也日益增长。预计这一趋势将持续下去，因此需要多样化的充电解决方案和基础设施建设。
大功率直流急速充电技术在支持电动汽车（EV）的大范围普及方面，发挥着关键作用。目前，一些直流急速充电桩的充电功率超过350 kW，使许多纯电动汽车（BEV）能够在大约30-45分钟内充电至80%。这种急速充电能力很大地提升了便利性，尤其是在长途旅行中，并减少了“里程焦虑”（对续航里程的担忧），使消费者更容易选择电动汽车。此外，预计到2030年，约50%的纯电动汽车将具备200kW急速充电能力。这一进步预计将推动对大功率充电基础设施的需求增长，从而促进整个市场电动汽车普及率的整体增长。
此外，一些高阶车型将能够实现超过300 kW的峰值充电功率，在实现效率较高的急速充电的同时，满足客户对高性能的期望。这些技术趋势突显了大功率直流急速充电器对范围更广的电动汽车市场的重大影响和发展。
在充电站设计的趋势方面，将是朝向将中央电源转换单元移离充电桩的方向。这种方法将电源转换单元与充电单元分离，从而提高配电灵活性，并减少整体安装空间。
多点直流充电器能够将可用的输出功率分配给不同的充电器，从而允许单个充电器同时为两辆或多辆汽车充电。最近，许多制造商开始提供具有两个或多个直流输出的直流充电器。由于其在租赁汽车、出租车和公交车等商业应用中的优势，这一趋势正日益普及，因为这些应用的需求正在不断增长。同时为两辆汽车充电（功率共享技术）可以实现效率较高的功率分配，以满足高需求。此外，预计此类技术进步还将需要高精度、高速的无线通信技术。
加速价值链的脱碳工作迈向可持续的未来
为了构建可持续发展的脱碳社会，并期望全行业都能以紧迫感和责任感积极应对，Murata将“创建脱碳社会”作为一项重要议题，并在开展业务运营时设定了温室气体（GHG）减排目标。
此外，Murata正在加速其整个价值链的脱碳工作，目标是到2050年实现整个供应链的碳中和，到2035年实现RE100。Murata还与利益相关者合作，积极开展为全球气候变化应对措施做出贡献的活动。特别是在占销售额25%的移动出行领域，以纯电动汽车（BEV）为中心的零排放汽车的推广被视为至关重要。Murata正以急速充电系统这一关键环节为中心，积极致力于该领域的技术创新和价值创造，以支持向脱碳商业模式的转型。
Murata积极致力于解决基于重要业务流程中的社会问题，并专注于小型化技术和环保产品的开发。特别是在多层陶瓷电容器（MLCC）的开发上，因其通过轻量化和紧凑化技术提升，将可增进客户产品的便利性和可持续资源利用。此外，Murata还引入了环保包装和回收系统，通过多方面措施，努力减少对环境的影响。
提供更高的输出功率来满足急速充电的需求
由于直流充电器需要更高的输出功率才能满足急速充电的需求，因此需要用于急速充电电路的MLCC。Murata拥有一系列能够处理高输出功率的MLCC，这种优势在AC-DC和DC-DC电路中尤为明显。
由于技术正在向SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）的转变，电动汽车直流充电器功率器件市场正在经历重大转型。在2023年，包括分立元器件和模块在内的电动汽车直流充电器器件市场规模为3.3亿美元，预计到2029年将达到8.1亿美元，复合年增长率（CAGR）为17.8%。
尤其是SiC技术，其高速普及使得电动汽车直流充电基础设施成为未来几年推动SiC晶圆需求的关键应用领域。其中，SiC MOSFET器件市场预计将在2023年至2029年期间以40.3%的高复合年增长率增长，达到2.95亿美元的市场规模。这一增长主要得益于特快充电器（350kW及以上）市场需求的不断增长，该市场对高功率输出和效率较高的能量转换至关重要。此外，许多制造商正在推进采用30-40kW模块的模块化设计，这些模块也正在大规模超快速充电站中得到应用。
与此同时，GaN技术也因其高开关速度和较高的效率而备受关注，使其在某些低功率直流充电器和专用应用中前景广阔。然而，GaN技术仍处于早期阶段，需要解决诸如降低成本和提高可靠性等挑战才能实现大范围应用。尽管如此，未来的研发预计将推动该领域的进一步发展。
当前的电动汽车直流充电器所使用的功率半导体，正在从Si MOSFET/Si IGBT向SiC MOSFET/GaN的转变，这源于直流充电器对更快、更高输出功率的需求，这是因为SiC和GaN具有出众的功率转换效率，可减少能量损耗，从而缩短充电时间并降低成本，且它们可以在高温环境下工作，降低冷却需求，有助于实现小型化和降低成本。此外，它们可实现更快的功率转换，从而支持急速充电系统的性能提升，且因其高速开关能力，将可实现更紧凑、更轻巧的设计，有助于节省空间的解决方案。在元器件方面也将朝向高电压，以及元器件尺寸更小、耐热性更优等方向发展。
由于半导体规格正在从Si MOSFET/Si IGBT向SiC MOSFET/GaN转变，这使得MLCC得以应用于此前从未使用过的领域。Murata的MLCC系列产品有助于实现高电压、小型化和耐热性。与传统设计（Si MOSFET/Si IGBT）一样，Murata的优势仍将集中在AC-DC和DC-DC电路领域。
常见的DC-DC转换器架构有三种类型，包括全桥转换器、半桥转换器与谐振转换器，Murata的解决方案可以满足这些电路架构的需求，还提供支持高电压的产品系列，并且该系列产品正在不断扩展中。其中包括担任缓冲电容器（2类）的GRM系列（耐压高至1,250V）、GR3系列（耐高纹波电流）、KRM系列（具有金属端接的GRM）、KR3系列（具有金属端接的GR3）、RDE系列（具有环氧涂层的引线），以及担任缓冲、谐振电容器的GRM系列（耐压高至1kV与具有C0G、U2J特性）、KRM系列（耐压高至1kV与具有C0G、U2J特性）。举例来说，为了在尺寸受限的直流充电器模块中实现紧凑性，有时使用MLCC代替薄膜电容器作为谐振电容器（LLC电路中建议使用谐振电容器）。
灵活的无线技术可远程掌控急速充电站的运作状况
为了能够迅速地远程掌控急速充电站的运作状况，在充电器上加上连接模块已经成为不可避免的趋势，其中经常使用的便是Wi-Fi™和蓝牙®技术，可让设备能够直接连接到互联网，是物联网产品中非常灵活的无线技术，其具有能够让产品更快上市的优势，并具有高性能和高可靠性，以及本地和全球FAE支持，并拥有长寿命保障与射频和认证支持。
Murata推出的无线连接模块产品可支持Wi-Fi4、Wi-Fi5和Wi-Fi6/蓝牙，并已通过FCC/ISED和日本认证，且可提供CE测试报告，并可集成于Linux或RTOS平台，在直流充电应用中可实时监控充电状态，并进行软件更新，也可与智能手机应用程序配合使用，以及进行远程故障排除。
为了延伸Wi-Fi™ 的应用范围与传输距离，Wi-Fi HaLow™ 技术应运而生。Wi-Fi HaLow™ 是基于Wi-Fi/IP通信的远距离无线通信标准，它已被标准化为“IEEE 802.11ah”，能够在超过1公里的广域范围内进行通信。Wi-Fi HaLow™在4 MHz带宽（SISO）下，理论上可实现超过数Mbps的数据传输速率，使其相当适合用于视频与音频串流。
Wi-Fi HaLow针对物联网和智能设备进行了优化，具有远距离通信和低功耗的特点，适用于电池操作的设备，其使用900MHz频段，与使用2.4GHz或5GHz频段的传统Wi-Fi相比，其通信范围更广，具有超过几百米的长距离通信范围，且由于不使用电信运营商的服务，因此无需支付连接费，可降低成本。Wi-Fi HaLow与传统的LPWA相比，数据传输速度可超过数Mbps（4MHz带宽，SISO），吞吐量更高，可支持大容量数据传输，且具有原生IP支持，可像传统Wi-Fi一样直接连接到IP网络，并支持WPA3等最新安全协议，可应用于物联网设备、智能建筑、智能农业、智能工厂等领域。
Murata开发了两款Wi-Fi HaLow模块，包括全球型号的低传输功率版本 ―― Type 2HL，以及可用于北美与除了日本之外的亚太地区的高传输功率版本 ―― Type 2HK，采用低于1GHz的工作频率（非授权频段），拥有多种设备省电模式，可支持的Wi-Fi安全机制。在直流充电应用中，像是在大型停车场安装直流充电桩时，由于通信范围不足，可能会使用Wi-Fi HaLow来替代传统Wi-Fi。
结语
随着纯电动汽车高速普及，智能基础设施的建设已成为推动产业高质量发展的关键。直流充电解决方案以其较高的效率、快响应、智能化的优势，正日益成为支撑未来交通能源体系的重要一环。面向智能基础设施的直流充电系统，不仅能提升充电体验与运营效率，更将深度融合能源管理与智能调度技术，助力城市实现绿色、低碳的可持续发展。Murata推出的MLCC与Wi-Fi HaLow连接技术产品线，将在直流充电解决方案中扮演重要角色，在推动电动交通智能化、数字化转型中发挥更加关键的作用。