為此，汽車充電必須要採取另一種截然不同的全新方法。目前開進充電站或在充電站停留的概念仍有其關聯性，但或許只適用於較長的旅程。更可行的方式，可能是趁電動車停在公司、購物中心或車站時一邊進行充電，確保汽車隨時充了再開。
電動車充電選項多樣 前瞻性概念逐漸萌芽
多數車輛皆支援透過標準家用的單向交流電(AC)電源進行充電，讓所有消費者能在家利用晚上時間為汽車充電。AC充電解決方案的範圍包括，將車輛接到家裡的電源插座，再接到線上控制與保護裝置(IC-CPD)，最後接到整合在電源插座和車輛之間的小接線盒。部分解決方案可能裝載於壁掛式固定裝置內，也就是所謂的「壁掛式機櫃」充電器。此方法通常會在電源裝置和車輛之間加裝一個通訊元件，並內含接地和保護功能。
不過，電池充電需要的是直流(DC)電源，因此車輛內建的充電電子元件必須將AC轉換為DC。包括空間、散熱、效率和重量等設計限制全都變成限制充電時所能傳送的電池容量，以及限制電池充電速度的因素。再清楚不過的一種做法，就是利用車外通用型DC充電器為各種車輛提供電力，如此便不需要將AC-DC轉換器放在車內(圖1)。
隨著各國開始出現大容量電池，許多前瞻性的概念開始萌芽，亦即將這些電源整合到我們日常的電力需求之中。有些概念考慮將這些需求結合到太陽能發電策略中，利用家庭和商業大樓內的再生能源為電動車充電，同時在發生斷電狀況時將其做為備用電力，或是用來緩解尖峰需求。這種Vehicle-to-Building(V2B)方式已在美國底特律市使用一批可雙向輸電的Fiat 500e電動車完成測試。
這個創意甚至還能加以延伸，考量全國的電力需求，將電力需求往上提升，更全面地轉移到再生能源搭配Vehicle-to-Grid(V2G)的實作。荷蘭與三菱汽車(Mitsubishi)合作，利用OUTLAND PHEV進行V2G的試驗，將家庭平均每日用電量儲存在車內。這樣的創意確實增加了充電解決方案的需求，因為它不只需要提供高效率的AC-DC轉換，還需要額外執行DC-AC轉換，以將電力回送到電網內(圖2)。
充電標準儘管同時反映V2B和V2G的需求，但對於如何精準實作到全國或國際上卻未有足夠的說明。其他選項似乎未能得到廣泛的支援，像是用充飽電的電池替換用完的電池。不過，這種解決方案在印度等特定市場較受到青睞，尤其是針對二輪和三輪車及巴士的解決方案。
感應式充電仍是解決一切問題的妙計，讓汽車能利用埋在停車場地底下的線圈，將電力傳送到車上的線圈來充電。雖然這種充電方式已經使用在行動手持裝置上，但對齊兩個線圈的過程中會產生耗損，還有需要傳送的電量，使得這種方法目前只能侷限在特定的使用案例。
複製加油便利性 快速DC充電架構不可少
如果要將內燃機車輛加油的便利性，複製到電動車使用者身上，充電站將需要提供大量電力。典型的22kW充電解決方案可提供AC充電，供應足夠行駛120分鐘200公里的電力，適合用在車主上班時能整天充電的汽車。但如果要將200公里的充電時間縮短到16分鐘，則需要靠150kW的DC充電站。甚至提高到350kW後，供應相同電量所需要的時間，將與現在進入加油站所需要的時間差不多，大約7分鐘。但要注意的是，要加快充電速度，汽車電池也必須支援此充電方式(圖3)。
快速DC充電器的終極目標，就是廣泛將架構標準化，包括輸出電壓的範圍和支援的電力傳送。輸入電力預期介於300Vac至400Vac，並透過AC-DC和DC-DC轉換器轉換為連接汽車所需要的DC電壓。另外，也需要實作資料傳輸通道，以提供關於汽車和電池充電狀態的資訊。汽車資訊和車主資料還可成為最終元件的一部分，作為用來處理付款作業的安全資料通道。
雖然目前多數的實作都限定在50kW左右，但目前所定義的仍為350kW高充電功率。電源連接器定義能容納未來所需要的電力汲取，支援最高1000Vdc電壓，200A電流。
針對家庭使用，電力汲取則受限於本地基礎設施。壁掛式機櫃充電器雖然可以供應兩相或三相電力，但無法支援22kW以上的功率。不過，針對原本便設計供大規模電動車充電的環境，像是停車場和高速公路休息站，可以預期將會有完整的充電停車位。10至30kV的中電壓隔離式變壓器能為高功率充電器供電，每一部可供應到最高350kW的功率，同時以全速為多輛汽車進行超快速充電。在變壓器隔離的情況下，除簡化電力電路，也能改善整體效率。
另一方面，充電站也會廣設在商場或購物中心的停車場。充電點的形態與大小將類似於一座加油機，尺寸大約可提供最高150kW的功率。不過，由於是用三相低電壓的電網連線，因此並非所有充電器都能同時以全功率運作(圖4)。
充電點本身通常會是壁掛式機櫃或充電樁(如上所述的一部直立裝置)。其實作方式包括從單一充電次單元，到日後可隨需升級為更高充電功率的多重次單元。
充電器次單元(經常遭誤解為模組)目前可提供AC轉DC的轉換，最高功率介於15kW至20kW，次單元經過堆疊，可提高充電樁供應的整體功率。
但隨著對加快充電速度的需求提高，趨勢開始轉為使用每部大小約50kW以上的次單元。次單元本身的結構結合了獨立元件或功率模組，主要取決於其想要達成的設計規格。
標準化建構基礎實現安全/充電通用化
汽車的能量來源轉型，衝擊到許多產業，將許多原本鮮少涉及汽車業或甚至完全無關的新廠商拉了進來。與半導體業關係久遠的汽車原始設備製造商(OEM)則為例外，他們的角色能為這個開發中市場的部分其他廠商提供連結。
如同現在的汽車OEM不會自己經營加油站，未來他們也不會將重心放在為電動車提供充電基礎設施，因為這是充電器製造商的工作，這些製造商已有相關的經驗，瞭解如何為類似應用開發電力管理解決方案。至於安裝與管理則交給充電點營運商，他們會設法選出最具能源效率和經過成本最佳化的解決方案；他們的後端系統將管理需求，預測更適當的能源價格，同時處理安全付款機制。最後一片拼圖是能源供應商，他們的支援是確保整個基礎設施專案能實現，確保電網將電力送到需求點的必備要素。
充電樁的標準化工作已經在進行中，目的是為了確保消費者能有一個安全、簡單且全面通用的方式來為其汽車充電。來自歐洲和美國的相關廠商(包括英飛凌)合作成立了CharIN e.V.協會，一個專為開發及推廣聯合充電系統(Combined Charging System, CCS)而設立的組織。他們的規格定義從充電順序和資料通訊，到實作的插頭類型等範圍。此外，也有一些類似的組織成立，在日本推廣CHAdeMO和在中國推廣GB/T等替代方案，另外像Tesla也有自家的專有系統。
CharIN標準可透過單一連接器同時支援AC和DC充電，已獲得國內和國際性標準機構的認證。其AC充電符合IEC 61851第1節和第22節的要求，DC充電則符合第1節和第23節的涵蓋範圍。在插頭和插座方面，則應參考IEC 62196第2部分關於Type 2 AC連接器和第3部分Combo 2 DC連接器(歐盟)，以及第1部分Combo 1連接器(美國)的內容。
快速充電須考量多樣要素
電池充電可視為恆定電流應用的實作，不需要考量過載的情況。一般電池充電是在恆定電流(CC)模式下以¼C實作，其中的C定義電池在一小時內的充電或放電速率。當充電程序達到80%左右時，電流仍會保持固定，但電壓則持續穩定提高，直到達到電池的Vmax。一個200Ah電池組需要的時間大約是4小時，之後電池將改以恆定電壓(CV)模式充電。
快速充電需在前20分鐘用2C的速率為電池充電，後面的階段用1C充電10分鐘，最後則用½C繼續充4分鐘。一個200Ah的電池組可在34分鐘內達到80%電量，約等於300公里的行駛里程。只不過，DC快速充電還是存在許多限制。首先，它受限於所用的電池充電技術。除此之外，電池的配置、熱管理實作，以及電池芯的互連方式也都必須納入考量(圖5)。
在充電器方面，CharIN規格設想的最高恆定電流輸出在700Vdc下為500A，支援至最高920Vdc。但電池系統也必須另外建立一些機制，以應付快速充電所導致的衰退情況，並整合最高1000Vdc的隔離功能。最終解決方案的效率應該要達到95%以上，並在日後提升到98%。最後別忘了，300kW耗損1%的效率，等於耗損掉了3kW。此外，纜線在500A全負載下每公尺也會發生100W的功率耗損。
功率循環的影響與其他功率應用相較下偏低，熱循環對私人設備的影響微乎其微，甚至毫無影響，但對公用充電站的設計來說則是一大挑戰。例如，私家車在10至15年使用壽命內每年充電最多5,000次，而大眾運輸車輛(例如巴士)的充電器在15至20年使用壽命期間的充電次數則可能達到30,000次。
遵循兩大方法達到快速DC充電
高功率DC充電器的設計方式主要遵循兩種基本方法，一種是將輸入的三相AC電源轉換為可變的DC輸出，饋入DC-DC轉換器。充電器必須經過與車輛通訊，才能定義出精準的DC電壓；另一種方法是將輸入的AC電源轉換為固定的DC輸出，然後再經由DC-DC轉換器轉換為汽車所需要的電壓(圖6)。
這兩種方法都同樣適用於本應用，沒有重大的優點或缺點。但與其將重心放在轉換方法上，最主要的考量還是在於實作如何將所需的散熱效果降到最低、提高功率密度，以及縮小整個系統尺寸。
高功率密度需要靠強制進氣散熱(現行的標準)，但新一代充電解決方案正在尋找可行的水冷式解決方案。精簡型解決方案必然需要考慮更高的切換速度，也就是32kHz至100kHz之間的範圍，以縮小磁性元件的尺寸。
最簡單且符合成本效益的AC-DC轉換方法，就是使用二極體整流器。但其簡化設計讓設計人員只能視本地的三相供應電壓使用固定的輸出電壓，還有不理想的總諧波失真(THD)。雖然線路電流的諧波失真可透過實作多脈衝整流器來加以改善，但卻需要採用更複雜的變壓器和額外的整流二極體。
使用三相主動前端(AFE)則可解決THD的問題，其可以提供正弦形的輸入電流，同時供應可變DC輸出電壓至後續的輸出級。為減輕額外的複雜度，閘極驅動器需使用隔離式電源供應器，另外也需使用輸入濾波器，而這類拓撲已經過詳實的記錄和研究，並已通過考驗，是適合本應用的解決方案。
另一種雖然現行較少使用，但越來越受歡迎的選擇，則是Vienna整流器。這是一種三相三階的PWM整流器，只需要三個主動式開關，並具備雙重升壓型功率因子校正(PFC)(圖7)。可以控制輸出電壓，甚至在電力不平衡或其中一相中斷的情況下也能運作。這種整流器也很堅固耐用，即使控制電路故障，輸出或前端仍不會短路。與AFE相同，其輸入電流為正弦波，各種實作所顯示出來的功率因素最高可達到0.997，THD低於5%，效率達97%以上。
在DC-DC轉換級中，諧振拓撲因效率的緣故而較常被採用。在整體實作需要的情況下，也可在其中加入電氣隔離。此種設計可實現更高的功率密度並縮小體積，尤其在變壓器整合一次側電感器的應用中；零電壓切換(ZVS)能夠降低切換耗損，對提高整體系統效率有所幫助(圖8)。在電網隔離架構中，多重交錯式降壓轉換器是最適合的DC-DC拓撲選擇，其優點包括可跨相分享負載，減少漣波和濾波器的尺寸，但代價是需要的元件數量較多。
快速DC充電器實作方式
中國市場擁有目前最成熟的快速DC充電實作，普及率達80%(相較下，歐洲、中東及非洲為15%，美洲只有5%)。這裡15kW以下的解決方案最普遍，但預計2020年時20kW會成為最主要的次單元選項，另外到2023年也會出貨大量的30kW和超過60kW的單元。這反映出市場趨勢是往350kW的高功率充電發展。為此，電源方案供應商如英飛凌，開始發展各式矽解決方案，像是功率模組、閘極驅動器IC、微控制器解決方案等，也提供可靠的驗證解決方案和安全控制器，保護付款與系統安全性(圖9)。
建議採用的方法，取決於欲達到的總功率輸出目標，同時也會影響到次單元的拓撲和建構方式。針對30kW以下的壁掛式裝置和充電樁，建議採用獨立的功率裝置，至於350kW則有專用於實作的功率模組。介於50至150kW之間的應用，是否選擇獨立功率元件或功率模組，則從環境因素、空間和價格作決定。
30kW至150kW為常見解決方案
常見的做法是使用15kW至30kW的次單元建構快速充電器，再將其堆疊成150kW的電動車充電解決方案。採用獨立裝置的15至30kW次單元和充電器實作，則可選擇Vienna整流器來進行40kHz的PFC級切換(圖10)。
用於氣冷系統的三相、380V/50Hz電源，TRENCHSTOP 5 IGBT與CoolSiC肖特基二極體的結合，經過整合後會是很適合具成本考量之應用的解決方案。使用碳化矽(SiC)二極體，其效率比傳統Si二極體高出0.8%，支援的功率輸出也能多出80%。將IGBT換成600V CoolMOS P7 SJ MOSFET，則能改善0.5%的效率。
在DC-DC轉換器中，通常使用諧振轉換器來進行頻率最高達300kHz的切換，並依電池充電電壓供應200V至700V。其中600V CoolMOS CSFD，或用於30mΩ以下RDS(on)的600V CoolMOS CFD7 MOSFET，採用高電壓超接面技術，整合高速本體二極體，搭配CoolSiC肖特基二極體下能達到相當理想的效率。但若是以最高效率為目標，則建議對CoolSiC MOSFET產品組合進行一次完整檢視。
50kW至350kW解決方案應採用功率模組
要開發能合併或升級以提供快速DC充電或最高階充電器的次單元，建議選擇採用功率模組的解決方案。到了這個功率級，最好使用水冷系統，但也可以選擇氣冷。Vienna整流器是採用切換頻率40kHz的CoolSiC Easy 2B模組實作而成。其DC-DC區段採用交錯式三相或多階降壓轉換器，切換頻率高達300kHz。選擇CoolSiC Easy 1B模組搭配獨立的CoolSiC二極體，會是很有效率的組合(圖11)。
CoolSiC系列提供F3L15MR12WM1_B69，它是一款採用Easy 2B封裝的Vienna整流器拓撲裝置。此裝置的RDS(ON)為15mΩ，可提供高功率密度，封裝還有助於簡化設計實作。隔離式凝膠陶瓷裝置具備低電容，而且切換耗損不受溫度影響。Easy 2B和更小巧的Easy 1B封裝均提供半橋拓撲，RDS(ON)值最低僅6mΩ。
以IGBT技術為基礎的解決方案使用EconoPACK 4模組，搭配EconoBRIDGE矽整流器模組。EconoPACK 4採用堅固的射出成型與超音波焊接螺絲端子，並透過PressFIT控制腳位實現完全無焊接的連接。
搭配閘極驅動器/MCU達到安全控制
選完功率元件後，下一步是考慮所需要的閘極驅動器。以下提供裝置產品組合，以符合選用的Si或SiC元件。也提供一系列的隔離技術裝置，包含從接面隔離和絕緣層上覆矽，到用於電氣隔離的無芯變壓器。
1EDi EiceDRIVER精簡型系列驅動器提供電氣隔離的單通道解決方案(圖12)，支援最高1200V的輸入對輸入隔離。3~17V的寬操作電壓，確保其能與微控制器等各種控制電路連接，不需經由任何訊號調整。支援最高6A的軌對軌輸出，全都整合在DSO-8 300-mil寬8mm間隙距離的封裝選項內。2EDi系列也提供雙通道裝置。其具備兩段式關閉和軟啟動等功能，能簡化對抗EMI的挑戰，同時具備各種保護功能，保證可靠耐用。
微控制器(MCU)是完成高效次單元設計最基本的零件，其需要智慧功能，確保與充電的BEV通訊，以及與快速充電堆疊中的跨次單元通訊。最後，使用的控制演算法實作非常重要，能在轉換效率上提供次百分點的改善。如先前所強調，這有讓每個充電樁省下數百瓦的潛力；而XMC 4000系列微控制器整個系列的腳位對腳位和軟體皆相容，能彈性增加功能或最佳化成本。
其餘像是類比轉數位轉換器(ADC)等精準的類比周邊設備，緊密搭配完整系列的計時器和彈性脈寬調變(PWM)模組，其中部分裝置還能提供150ps的解析度。這些裝置有其必要性，能支援像是高頻LLC等功率拓撲，並透過整合式斜率補償、遮蔽、濾波和箝制電路來簡化峰值電流控制模式。
而針對要求更高的應用，或重視安全或功能安全性的應用，AURIX系列提供很自然的替代選擇。這個耐用可靠的多核心MCU系列，涵蓋從單一核心到多重核心等選項，可在最高150℃的環境溫度下作業，也經常是ASIL-D和SIL3安全相關應用的選擇。
安全性可透過硬體經由一系列機制來支援，包括使用Lockstep核心、備援周邊設備、記憶體保護及時脈監控等各種功能。這些裝置的封裝設計擁有絕佳的擴充性，可讓設計人員在需要時輕鬆轉移為具備更多功能的MCU，同時也可以提供長期可用性。
這些MCU作業頻率最高達300MHz，擁有最多6MB的快閃記憶體，並提供包括CAN-FD和乙太網路等各種高速介面。直接記憶體存取(DMA)可在沒有CPU下作業，為應用程式碼留下更多可用效能。功率轉換演算法由12位元ADC控制，取樣率高達5Msps，再加上計時器周邊設備，能提供一系列彈性的脈寬調變(PWM)控制輸出。
最後，安全性則是透過硬體安全模組(HSM)實現，以獨立的邏輯保護網域提供信任錨。由其自己的32位元MCU支援，它提供安全開機、安全加密與驗證金鑰儲存，以及與AIS31相容的真實亂數產生器(TRNG)，還有用於對稱和非對稱加密的硬體加速功能。
打造可信任BEV升級方案
充電解決方案是小型模組的互連集合，這些模組連結到雲端連線服務，包含電力公司的負載平衡，到銀行的付款服務等。因此，安全性應該是設計解決方案的核心。除了保護雲端服務，也應該開發應用更新或功率級控制的改善，並透過軟體無線更新(SOTA)的方式升級。雙向驗證的確有其必要，以確保只有取得授權的伺服器能散布軟體修補程式或更新原廠的BEV充電器。
另外，考量到安全與系統效能，充電樁在硬體升級時也需要驗證，確保只有經核准的次單元和原廠零件能安裝到現有的解決方案上，避免劣質的仿冒零件。最後，為了保障BEV充電器的身分識別與服務組合的完整性，必須提供硬體安全性的保護。
要實作這類安全性，需將BEV充電器的私密金鑰以數位憑證的形式儲存到獨立的安全控制器上。接著建立經過加密的資料通道，以執行加密資料服務，與連接BEV充電器的伺服器往返通訊。資料完整性和授權使用者的驗證對BEV充電來說極為重要，無論是在考慮現有的付款方式，或未來要轉移到以區塊鏈技術為基礎的AI服務與智慧流程。若要驗證替換硬體是否為原廠備用零件，則可利用OPTIGA系列的嵌入式安全解決方案。
如需更高要求的控制板完整度保護，開發人員可選擇OPTIGA TPM可信賴平台模組。此裝置符合可信任運算集團(Trusted Computing Group)的TPM 2.0修訂版1.38規格，提供獨立於主要處理器的安全解決方案，可用來儲存私密金鑰等關鍵資料。它能在BEV充電單元整個生命週期內提供最高等級的防護，保護其完整度，為雲端型金鑰管理服務提供安全的現場裝置布建，同時保護預測性維護解決方案和應用程式軟體更新等資料服務。本裝置也採用小巧的表面黏著封裝，尺寸僅5.0 ×5.0mm，並已經過獨立的安全評估與認證。此外，2019年將推出使用壽命更長，溫度範圍更廣，適合BEV充電器現場部署的工業級版本。
電動車需求增 安全/耐用充電方案勢在必行
在政府和社會不斷施加壓力下，加上需要解決二氧化碳排放量不斷增加的問題，電動車現在也變成可行的其中一種解決方案。除了有行駛距離縮短的問題，另一項需要解決的主要問題則是電池充電，希望電池充電能像石化燃料加油一樣簡單，尤其是對需要長途行駛、開計程車的個人，以及巴士等大眾運輸。
引進大量電池儲存裝置的另一項潛在好處，則是希望能將這些能源反向注入電網中，以減緩用電需求的高峰。快速電池充電解決方案的開發，需要靠合作夥伴的支援。英飛凌的工程師與開發團隊瞭解應用挑戰，有功率電子設計領域的相關經驗，同時還供應各種矽裝置與碳化矽裝置的產品系列，可供設計工程師將他們的設計概念與想法化為真實，打造安全且耐用的BEV充電解決方案。
