編者按：
2023年9月7日，工信部提出了新能源汽車傳導(dǎo)充電連接裝置標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)在沿用我國現(xiàn)行直流充電接口技術(shù)方案、保障新老充電接口通用兼容的同時，將最大充電電流從250安培提高至800安培、充電功率提升至800千瓦，增加了主動冷卻、溫度檢測等相關(guān)技術(shù)要求。
隨著新國標(biāo)的提出，對功率器件、電源，以及上游的電子變壓器、電感器、磁性材料都提出了很大要求。本期對話，《磁性元件與電源》邀請了行業(yè)內(nèi)權(quán)威教授、專家以及電感變壓器、磁芯、線材廠商，共同探究充電樁采用新國標(biāo)后，模塊電源的變化以及電感變壓器和磁性材料的技術(shù)發(fā)展方向是什么。
對話導(dǎo)覽
一、當(dāng)前充電電源模塊主流功率多少？是否正在向往更高功率發(fā)展？
二、充電樁采用新國標(biāo)后，對模塊電源有何推動作用？
三、采用新國標(biāo)后，對電感變壓器、磁芯、線材分別提出了什么要求？
四、采用新國標(biāo)后，電感變壓器、磁芯如何更好地散熱？
五、是否會推動第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展？
對話內(nèi)容
一、當(dāng)前充電電源模塊主流功率多少？是否正在向往更高功率發(fā)展？
微碩 常務(wù)副總經(jīng)理 譚福清：目前充電樁模塊電源市占率最大的是20kW，現(xiàn)在有30kW的，正在發(fā)展40kW。800kW就是40kW的組裝，用模塊疊加的方式，會有20個模塊。
未來是否會往更大的功率發(fā)展取決于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性�？赡苄允怯械�，但是具體來講就是單個模塊做的更大和多個組合模塊更多，這兩條路可能最終會有一個最佳的平衡點(diǎn)。單個模塊做大，也會面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)和成本的挑戰(zhàn)；但是模塊組合過多，也面臨并聯(lián)的問題。所以我相信一定會找到最佳平衡點(diǎn)，至于這個平衡點(diǎn)在哪里，取決于技術(shù)發(fā)展的水平以及成本變化的情況，需要綜合考量。
單個模塊會遇到一些技術(shù)瓶頸，比如鐵氧體磁芯不容易做大，做大的同時會使壓機(jī)的噸位增大，要解決很多技術(shù)問題，成本也會上升很多。在這種情況下，可能多個模塊組裝的成本會更低一點(diǎn)。
而且各家企業(yè)長處也不同，擅長做電源模塊的，可能會采用大功率電源模塊，組裝個數(shù)少；擅長做電源管理的，可能更傾向于做成熟的電源模塊，然后組裝，用電源管理技術(shù)的方式去解決。
質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所 白國軍 高級工程師：充電樁里面的模塊都是分組式的，相當(dāng)于抽屜一樣。原來最早的時候我們接觸的都是 15kW的模塊，現(xiàn)在基本上變成30kW，后續(xù)模塊電源功率可能會變大，可能會到40kW，目前我了解到充電樁實現(xiàn)40kW-60kW在技術(shù)上是沒問題的。一旦標(biāo)準(zhǔn)提到800kW，如果是30kW模塊電源，就需要用到26個模塊，可是功率模塊不能太大，因為太大會很重。
充電樁運(yùn)營企業(yè)的模塊電源都是外采的，最終量級是由模塊電源廠商來決定的，也就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。
二、 充電樁采用新國標(biāo)后，對模塊電源有何推動作用？
京泉華 李彩生 總經(jīng)理：模塊電源的功率要變大，功率變大之后會帶來體積變大、熱量更高、功率密度更高等問題。這就要求模塊電源的體積要做小，還需要更好的散熱機(jī)制。
第一是推動功率密度向更高發(fā)展，按照原來充電樁120kW的功率，現(xiàn)在提高到800kW，如果體積按照功率提高了六七倍的功率算，那體積就太大了，因此體積肯定要做小，不能說功率越大體積就要成比例放大。這就可能會推動功率密度的發(fā)展，比如說原來同樣大小的體積能做到120kW，未來為了滿足超級快充的需求，可能就會推出200kW的模塊電源產(chǎn)品。
第二是推動冷卻技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的散熱方式是靠風(fēng)冷，未來肯定會朝著液冷的方向發(fā)展。因為發(fā)熱量太大了，傳統(tǒng)的風(fēng)冷是功率越大，風(fēng)量需求越大，那風(fēng)機(jī)噪音就會很大，造成的灰塵污染也越大，所以說會推動液冷技術(shù)的發(fā)展。
經(jīng)緯達(dá) 李勝東 高級經(jīng)理：像高壓固定樁，對體積來說不是最主要考量的點(diǎn)，應(yīng)該是從效率上面考慮。
模塊電源要走向更高的集成化、模組化，才能把體積和散熱盡量地優(yōu)化，集成化后電感變壓器用量會更多，對磁性材料的損耗也要更低。
現(xiàn)在大家都往磁集成、小型化方向方向走，變壓器往更高的頻率上走。除了磁集成，也可以用模組化的方式來達(dá)到要求，通過很多個模組進(jìn)行并聯(lián)串聯(lián)的方式，這樣電感變壓器的需求量就會變多。
三、 采用新國標(biāo)后，對電感變壓器、磁芯、線材分別提出什么要求？
陽光電源 蔡國慶 高級工程師：功率提升對電感變壓器的挑戰(zhàn)應(yīng)該是最大的，我覺得最大的挑戰(zhàn)是體積和散熱這兩方面。體積和散熱是相輔相成的，體積做小了，散熱要求會更高。
微碩 譚福清：首先對磁芯的損耗也就是功耗要求更低，特別是高溫功耗。所謂的高溫功耗就是140℃-160°℃之間的損耗要求更低。第二個要求磁芯抗飽和能力要更強(qiáng)，因為電流大了以后必然帶來大磁場，磁芯要保證在大磁場的工作下不要飽和。提升抗飽和能力的路徑有兩個，一是材料本身抗飽和能力要提升，二是可以通過磁路設(shè)計來提升抗飽和能力。
福州大學(xué) 陳為教授：功率、電壓提高之后，電感變壓器體積要做小，頻率就要提高，鐵芯的截面積和繞組的匝數(shù)才能做小。但就會碰到溫升提高的問題，因為功率大了，損耗也就大，而體積又小了，損耗密度就會提高，因此磁元件首先要解決設(shè)計問題，盡量要優(yōu)化磁芯和繞組的設(shè)計，做到損耗小。
其次是要加強(qiáng)散熱，這么大的功率如果僅僅靠風(fēng)可能不夠，估計要用水冷散熱，因為設(shè)計的作用是有限的，現(xiàn)在磁芯損耗還是沒辦法降得很快。
線材用利茲線，矩形的多股絞合線也可以。多股絞合線很細(xì)，所以絞的時候容易斷掉，但是掉幾根還好，最主要是擔(dān)心絕緣層破裂掉。因為絕緣層本來就很薄，容易破裂。絞線的每一根都是絕緣的，破裂之后渦流損耗就大了，就沒有絞的效果了。所以需要去檢驗多股絞合線的質(zhì)量。
萬寶 趙軒 工程師：在絞線過程中，為了避免絞線斷裂和絕緣層破裂，主要采取了以下幾種方式：設(shè)備方面，通過退紐+單絞的方式提升產(chǎn)品的圓度、減小外徑和絞線內(nèi)部應(yīng)力，從而減少跳股、過紐、斷線等情況；原材料方面，選擇優(yōu)質(zhì)退火軟銅線，與行業(yè)龍頭漆包線廠家合作從源頭把控。檢測線材質(zhì)量主要有幾種方式，一是線徑在線檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)線徑連續(xù)檢測及線徑波動分析；二是高頻火花機(jī)，可實現(xiàn)絕緣皮破損、斷線、包覆不良等檢測；三是人工高頻次抽樣測試。
萬寶大功率線材主要用鐵氟龍絞合線、圓形膜包絞合線、方形膜包絞合線。
四、采用新國標(biāo)后，電感變壓器、磁芯如何更好地散熱？
福州大學(xué) 陳為教授：散熱主要是兩種方式，一是要在變壓器、電感器的繞組之間留下風(fēng)道，寧愿體積大一點(diǎn)，但是風(fēng)能夠吹過去，熱就能散走。也就是說效率不一定要很高，因為這么大的功率，效率差一點(diǎn)也沒事，關(guān)鍵是溫升要能控制住，所以寧愿犧牲一些體積而去加強(qiáng)散熱。
二是用水冷板。水冷板也有兩種方式，一種是貼在磁芯表面，或者貼在繞組表面，通過表面來導(dǎo)熱，但是800kW的功率可能都不夠用，甚至要把水冷板埋到繞組里面，這樣散熱的效率就會高很多。另一種是水冷板放在鐵芯和線圈之間，或者放在線圈之間，比如說原副邊之間。那就要注意一個問題，因為水冷板都是鋁制的，把水冷板放在變壓器內(nèi)部，里面有很大的高頻電磁場，就會引起渦流損耗，這個也可以通過優(yōu)化設(shè)計。但只要能把熱帶走，還是劃算的。也就是說設(shè)計關(guān)注的重點(diǎn)是溫升，只要能把熱帶走就可以了。
所以最大的問題在于設(shè)計和散熱。設(shè)計就是讓它損耗盡量小，散熱要采用各種方法把熱散走�？鋸堻c(diǎn)的辦法甚至在磁芯上開孔讓風(fēng)吹進(jìn)去，但開孔后磁場過不去，會影響磁芯截面積，這個孔開在什么位置也有講究，否則會破壞磁場。
微碩 譚福清：從兩個方面來講，首先功率大意味著磁芯的體積會更大，那么體積更大，發(fā)熱功率就增加了。第二磁芯是熱的不良導(dǎo)體，自身發(fā)熱后會導(dǎo)致磁芯溫升不均勻，內(nèi)部溫度高，外部有散熱，溫度低，內(nèi)外的熱脹冷縮不一樣可能會導(dǎo)致磁芯開裂，也就是說大功率的磁芯在工作的時候可能會開裂，這是它的技術(shù)難點(diǎn)。
目前可以通過添加優(yōu)化劑的方式來提高磁材抗熱沖擊強(qiáng)度，但是這個作用是有限的；另外可以輔助以磁路設(shè)計散熱，比如說中間的開氣隙、通過通孔通風(fēng)或者液冷的方式；還可以從電源設(shè)計的角度，以風(fēng)冷、液冷等方式來解決這個問題。
但是不管怎么說，隨著功率的增加，發(fā)熱肯定增加，散熱的要求就會提升，所以20kW、30kW模塊電源都是采用風(fēng)冷技術(shù)，但現(xiàn)在40kW都已經(jīng)開始用液冷技術(shù)。
陽光電源 蔡國慶：現(xiàn)在大家的研究重點(diǎn)會放在散熱上，功率密度提高后目前散熱是不能滿足要求的。
變壓器繞組有可能會留個風(fēng)道出來，如中頻變壓器，我們有看到國外的產(chǎn)品繞組中間是有水管的，但是現(xiàn)在充電樁還沒有見到。但是如果功率做到很大之后，也有可能采用這種方式散熱。
經(jīng)緯達(dá) 李勝東：從變壓器的結(jié)構(gòu)性設(shè)計上，比如說疊層關(guān)系，盡量地降低交流阻抗，讓損耗降低，發(fā)熱變少。還會加一些鋁合進(jìn)行灌封處理，讓導(dǎo)熱效率更快。
變壓器體積變大以后，實際上磁芯當(dāng)中是有一些是利用不到的，在中間通孔中間做一個通風(fēng)道當(dāng)然是有幫助的。其實我們之前有思考過，就在磁芯中間做一個水冷管，但這個成本太高了，而且對體積要求不大的電感變壓器，沒有太大的幫助。當(dāng)然在功率很大的情況下，這樣的做法是有些幫助的，最起碼熱可以降下來很多。
五、 是否會推動第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展？
微碩 譚福清：它不光算提高大電流的問題，工作頻率也會提升，從這個角度講就會推動第三代半導(dǎo)體的發(fā)展。如果使用頻率提升以后，那么它的體積可以縮小，功率密度就可以提升。如果需要提升工作頻率的話，就會在開關(guān)這一塊有利于推動第三代半導(dǎo)體的發(fā)展。
京泉華 李彩生：也可能有。但是國內(nèi)對價格太敏感了，現(xiàn)在碳化硅是主流，氮化鎵的成本很高。如果氮化鎵的成本降下來是有可能使用的。因為使用新材料后，發(fā)熱會降低，效率會提高，功率密度增加，體積也會減少。但我覺得目前暫時還不會用到氮化鎵，因為現(xiàn)在充電樁太卷了，用氮化鎵的價格是賣不出去的。
質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所 白國軍 高級工程師：如果按照800kW的話，可能涉及到充電堆了，可能會用到第三代半導(dǎo)體材料的器件，但是目前第三代半導(dǎo)體材料成本偏高，還很少用。因為現(xiàn)在市場上直流樁的價格基本上是0.27元/W，最早充電樁剛出的時候成本可能去到1.78元/W，現(xiàn)在成本降得這么厲害，我認(rèn)為用碳化硅希望不大。
結(jié)語
綜合幾位行業(yè)人士的觀點(diǎn)來看，充電樁將功率提高到800kW后，模塊電源要走向集成化、模組化，將推動模塊電源的散熱技術(shù)、功率密度和冷卻技術(shù)的發(fā)展。
功率提升后，對電感變壓器提出的最大挑戰(zhàn)是體積和散熱這兩個方面，尤其是解決散熱這方面的問題。對電感變壓器來說，要優(yōu)化設(shè)計，在電感變壓器繞組之間留下風(fēng)道，讓熱能夠散出去。對磁芯來說，技術(shù)難點(diǎn)在于大功率的磁芯在工作時可能會開裂，需要從三個方面改善該問題：一是通過材料添加優(yōu)化劑來提高抗熱沖擊強(qiáng)度；二是可以在磁芯中間開氣隙，通孔通風(fēng)或添加水冷管；三是從電源設(shè)計角度，用液冷的方式來提高散熱能力。
最后，盡管使用第三代半導(dǎo)體材料能夠很好地解決功率提高后帶來的一系列問題，但由于第三代半導(dǎo)體材料目前成本還較高，暫時很難大規(guī)模應(yīng)用在充電樁領(lǐng)域。
未來只有在技術(shù)和市場的不斷迭代下，充電樁產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商能夠提供更加物美價廉的材料和器件產(chǎn)品，才會加速大功率充電樁的落地。 |
