用于电动车智能基础设施的直流充电解决方案

为应对全球变暖和气候变化，许多国家设定了到2050年实现二氧化碳排放净零的目标。为实现这一目标，减少交通运输部门的排放至关重要，因为该部门的能源消耗非常高。向电动汽车（EV）的转型在这项努力中发挥了关键作用。本文介绍了电动汽车行业的发展趋势，以及村田提供的电池电动车（BEV）智能基础设施的直流充电解决方案。

为在2050年实现净零碳排放目标，许多国家和地区已设定政策目标，在2035年之前停止销售新的内燃机（ICE）车辆。这些政策转变正在推动整个汽车行业加大力度减少交通排放。此外，根据国际能源署（IEA）的数据，到2050年，道路上几乎所有的乘用车和商用车预计将是电动或燃料电池车辆。

此外，汽车行业正寻求参与科学目标倡议，该倡议旨在提供明确的脱碳和可持续发展的路径。此类倡议不仅帮助在单个公司内部建立共同的减排目标，还在整个行业中建立目标。

受社会需求和由原始设备制造商（OEM）主导的行业举措推动，新基础设施的开发也在推进。随着电池电动汽车（BEV）和零排放汽车（ZEV）的逐步普及，支持这些车辆的直流充电器需求正在增加。这一趋势预计将持续，需多样化的充电解决方案和基础设施开发。

大功率直流快速充电技术在支持电动汽车（EVs）的广泛采用中发挥着关键作用。目前，一些直流快速充电器可以提供超过350 kW的电量，使许多电池电动汽车（BEVs）在大约30至45分钟内充电至80%。这种快速充电能力显著提高了便利性，尤其是对于长途旅行，并减少了“续航焦虑”——关于行驶里程的担忧——使消费者更容易选择电动汽车。此外，预计到2030年，约50%的BEVs将具备200 kW快速充电的能力。此项进步预计将推动对大功率充电基础设施的需求增加，从而在市场上提高电动汽车的整体采用率。

此外，一些高端型号将能够实现超过300千瓦的峰值充电，从而在满足客户对高性能的期望的同时实现高效和快速充电。这些技术趋势突显出大功率直流快充对更广泛电动汽车市场的重要影响和发展。

在充电站设计方面，趋势正向着将中央电力转换装置移离充电桩的方向发展。这种方法将电力转换装置与充电单元分开，提高了电力分配的灵活性，减少了整体安装占地面积。

多点直流充电器可以在充电器之间分配可用输出功率，从而允许单个充电器同时为两辆或更多车辆充电。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。这一趋势由于在租赁汽车、出租车和公共汽车等商业应用中的优势而日益流行，这些领域的需求正在增长。两辆车辆同时充电（功率共享技术）可以实现高效的电力分配以满足高需求。此外，这些技术进步预计将需要高精度、高速的无线通信技术。

为了建设一个可持续的去碳社会并鼓励整个行业紧急且负责任地做出响应，Murata 已将“创建去碳社会”作为一个关键问题，并为其业务运营设定了温室气体（GHG）排放减少目标。

此外，Murata 正在加速其整个价值链的脱碳工作，目标是在2050年前实现供应链的碳中和，并在2035年前实现RE100。Murata 还与利益相关者合作，积极为全球气候变化缓解努力做出贡献。尤其是在占其销售额25%的移动领域，推广以 BEV 为中心的零排放车辆被视为至关重要。Murata 正在专注于快速充电系统这一关键领域，推动技术创新和价值创造，以支持向脱碳商业模式的转型。

Murata在其业务流程中积极基于重要性来解决社会问题，专注于小型化技术和环保产品的开发。值得注意的是，多层陶瓷电容器（MLCC）的开发因其通过轻量和紧凑技术提升客户产品的便利性并促进可持续资源使用而受到认可。此外，Murata引入了环保包装和回收系统，实施多方面措施以减少环境影响。

由于直流充电器需要更高的输出功率以满足快速充电的需求，快速充电电路中的MLCC是必不可少的。Murata提供了一系列能够处理高输出功率的MLCC，尤其在AC-DC和DC-DC电路中具有显著优势。

由于向碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 技术的转变，EV DC 充电器功率设备市场正在经历显著的转变。2023年，EV DC 充电器设备市场（包括分立组件和模块）的估值为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%。

特别是SiC技术正在迅速获得关注，定位为电动汽车直流充电基础设施的关键应用，推动未来几年对SiC晶圆的需求。预计SiC MOSFET器件市场将从2023年到2029年以40.3%的高复合年增长率增长，达到2.95亿美元的市场规模。此增长受到超快充电器段（350 kW及以上）需求增加的推动，其中高功率输出和高效能量转换至关重要。此外，许多制造商正在推进采用30–40 kW模块的模块化设计，这些模块也正在被部署在大规模超快充电站中。

同时，GaN 技术因其高开关速度和高效率而备受关注，使其在某些低功率 DC 充电器和特殊应用中具有前景。然而，GaN 技术仍处于早期阶段，成本降低和可靠性提升等挑战必须得到解决才能广泛应用。尽管如此，未来的研发有望推动这一领域的进一步发展。

目前电动汽车直流充电器使用的功率半导体正从Si MOSFET/Si IGBT过渡到SiC MOSFET/GaN，这一转变是由于对更快和更高输出功率的需求驱动的。这一转变是由于SiC和GaN的优越功率转换效率，它们减少了能量损失，缩短了充电时间并降低了成本。这些材料还可以在高温环境中运行，减少了冷却需求，并实现了小型化和成本节约。此外，它们支持更快的功率转换，增强了快速充电系统的性能，其高速开关能力使得设计更加紧凑和轻量化，从而节省了空间。组件还在向更高电压、更小尺寸和更好耐热性的方向演变。

随着半导体规格从 Si MOSFET/Si IGBT 转向 SiC MOSFET/GaN，MLCC 正在应用于以前未使用的领域。Murata 的 MLCC 产品系列有助于高电压、小型化和耐热性。与传统设计（Si MOSFET/Si IGBT）一样，Murata 在 AC-DC 和 DC-DC 电路方面的优势依然存在。

常见的DC-DC转换器架构包括三种类型：全桥转换器、半桥转换器和谐振转换器。Murata的解决方案迎合这些电路设计，并提供支持高电压的产品阵容，并在持续扩展中。这包括缓冲电容器（Class 2），例如GRM系列（额定电压高达1250 V）、GR3系列（高纹波电流耐受）、KRM系列（带金属端子连接的GRM）、KR3系列（带金属端子连接的GR3），以及RDE系列（环氧树脂涂层带引线），还有缓冲和谐振电容器，如GRM系列（具有C0G和U2J特性，额定电压高达1 kV）和KRM系列（具有C0G和U2J特性，额定电压高达1 kV）。例如，为了在尺寸受限的DC充电模块中实现紧凑性，MLCC有时被用作谐振电容器代替薄膜电容器（谐振电容器在LLC电路中推荐使用）。

为了实现快速充电站运营的远程监控，给充电器配备连接模块已变得至关重要。最常用的技术是Wi-Fi™和Bluetooth®，这两种技术使设备能够直接连接到互联网，使其成为物联网产品的最灵活的无线解决方案。这些技术提供了诸如更快的上市时间、高性能和可靠性、当地和全球FAE支持、长期保障以及射频和认证支持等优势。

Murata 的无线连接模块支持 Wi-Fi4、Wi-Fi5 和 Wi-Fi6/Bluetooth，通过 FCC/ISED 和日本认证，并提供 CE 测试报告。它们可以集成到 Linux 或 RTOS 平台中，并用于 DC 充电应用程序，以实现实时充电状态监控、软件更新、智能手机应用程序集成和远程故障排除。

为了扩展Wi-Fi™的范围和传输距离，开发了Wi-Fi HaLow™技术。Wi-Fi HaLow™是基于Wi-Fi/IP的长距离无线通信标准，标准化为“IEEE 802.11ah”，能够在超过1公里的广域进行通信。使用4 MHz带宽（SISO），Wi-Fi HaLow™理论上可实现几Mbps的数据传输速率，适合视频和音频流传输。

Wi-Fi HaLow 针对物联网设备和智能设备进行了优化，具有长距离通信和低功耗的特点，适合电池供电操作。它在 900 MHz 频段运行，提供几百米的通信范围，远远超过传统 Wi-Fi 的 2.4 GHz 或 5 GHz 频段，并消除了对电信运营商服务的需求，从而降低成本。与传统 LPWA 相比，Wi-Fi HaLow 提供更高的吞吐量，支持高达几 Mbps 的大容量数据传输（4 MHz 带宽，SISO）。它还提供原生 IP 支持，能够像传统 Wi-Fi 一样直接连接到 IP 网络，并支持最新的安全协议，如 WPA3。其应用包括物联网设备、智能建筑、智能农业和智能工厂。

Murata已开发了两款Wi-Fi HaLow模块：Type 2HL低传输功率版本，用于全球SKU，以及Type 2HK用于NA和APAC除日本外允许使用更高传输功率的地区，运行在sub-1 GHz频段（未授权频段），具有多种设备节能模式，并支持最新的Wi-Fi安全机制。在直流充电应用中，例如在大型停车场安装充电器时传统Wi-Fi的范围不足，Wi-Fi HaLow可以作为替代方案。

随着电池电动车的快速普及，智能基础设施的建设已成为推动高质量行业发展的关键。直流充电解决方案以其高效率、快速响应和智能化的优势，正日益成为未来交通能源系统的重要组成部分。智能基础设施的直流充电系统不仅提升了充电体验和运营效率，还与能源管理和智能调度技术深度融合，支持城市实现绿色、低碳和可持续发展。Murata的MLCC和Wi-Fi HaLow连接产品线将在直流充电解决方案中发挥重要作用，进一步推动电动交通的智能化和数字化转型。