显然，现在是时候解决“维修权”问题了，首先应从消费品入手，但这只是冰山一角，背后隐藏着一个更大的问题：我们需要改变工作方式，在发展循环经济的同时，努力延长设备的使用寿命。许多行业都将受到新的欧盟指令的重大影响，必须找到应对计划报废的新方法。.
电源行业将如何适应这种变化？这种变化又将如何有助于延长设备寿命和减少浪费？
欧盟新规旨在使可持续产品成为常态。
正如欧盟循环经济行动计划中所宣布的，欧盟委员会已提出新规，旨在使欧盟市场上几乎所有实物产品在其整个生命周期内（从设计阶段到日常使用、再利用和报废）更加环保、循环利用和节能。作为2023年6月行动计划的一部分，环境委员会提出了一项提案，旨在通过制定延长设备使用寿命和保护消费者的战略，使欧盟产品适应这些新规。该提案的关键部分是制定鼓励产品维修的通用规则，从而朝着欧洲绿色协议下的可持续消费目标迈进（图01）。
图 01 - “绿色协议”中关于环境和社会责任（绿色）的政治框架以及环境和社会责任与生态设计指令（蓝色）的关系。（来源：PRBX/Ecochain）
制定维修方案将减少电子垃圾和环境影响，从而为消费者和社会整体节省大量成本。为此，法国借鉴生态设计中使用的能效标签，提出了一种带有可维修性指数的类似标签，旨在告知消费者产品的可维修性，并为他们提供维修指南。.
根据该项目的提议，2023 年 12 月 4 日，欧洲议会和理事会初步同意更新“生态设计”规则，旨在改进产品在其整个生命周期中的各个方面，使其更耐用、更可靠、更易于重复使用、升级、维修和回收，并消耗更少的资源、能源和水。.
该提案涵盖消费品，并针对其可能存在的任何缺陷进行维修，无论这些产品目前是否在保修期内。生产商有义务在产品售出后的五到十年内进行维修。目前受维修要求约束的产品包括家用电器，例如洗衣机、洗烘一体机、洗碗机、冰箱、电子显示器、焊接设备、吸尘器以及服务器和数据存储设备。移动电话、无绳电话和平板电脑也被纳入了最近的草案，电动汽车充电器也在近期的讨论中被提及。所有这些产品都需要电源，因此制造商必须了解未来的法律法规并密切关注其发展变化。.
图 03 - 铁路公司更新列车所需的电源种类繁多，从低功率模块到高达数百千瓦的高功率转换器，应有尽有。（来源：PRBX/Shutterstock/ECO LENS）
为什么新的生态设计规则对能源行业至关重要？
这段引言可能会让人觉得未来的立法主要针对消费者群体，但实际上，在生态设计工作组的启发下，业内正在开展许多延长设备使用寿命的活动，而这正是电力供应行业关注的焦点所在。
就消费类电源应用而言，它们要么集成在设备中，成为整个系统的一部分，要么是外置的，例如USB充电器。立法者正在制定一套维修等级分类系统，旨在从环境和经济角度出发，使维修成为比更换更明智的选择。这是2024工作组的工作内容之一，该工作组正与业界合作，制定既有利于终端用户又有利于环境的合理分类标准。.
鉴于高度集成和当前的制造工艺（例如使用密封塑料组件，如外部适配器），这些组件可能不属于可维修范围，但制造商仍有义务提供十年的支持和服务保证。同样，对于集成到已列入清单的设备中的电源，制造商将被要求保证在整个使用寿命期间备件的供应。.
在高功率级别方面，就能源消耗的生态设计法规而言，服务器和数据存储设备已被纳入提案，电源制造商正与欧洲代表密切合作，开发既能满足维修需求，又能确保更长使用寿命的电源解决方案。.
在考虑循环经济时，产品高达 80% 的环境影响可以在设计阶段确定。在设计数据中心电源时，能效始终是首要考虑因素，电源设计人员会利用宽带半导体等最新技术来实现最高性能。在延长使用寿命方面，目前正在大力研发能够在运行条件下保持十年以上原始性能的组件。然而，设计人员还必须在机械设计中考虑可维修性，这可能涉及模块化设计，以便于维护，并在使用寿命结束后进行回收利用。.
对于许多设计师来说，这将是一种新的工作方式，但对于那些习惯于为系统更新和现代化开发电力解决方案的人来说，这并非什么新鲜事，而且该领域实施的许多最佳实践已经符合未来的生态设计法规。.
即使在生态设计法规出台之前，铁路行业的再利用、维修和延长使用寿命早已是常态。
除了消费领域的生态设计目标之外，许多工业应用也要求电源制造商为系统更新和现代化提供能源解决方案。在众多行业中，交通运输业，尤其是铁路行业，是再利用、维修和延长使用寿命方面可借鉴经验的典范，这些经验也适用于其他行业。
法国国有铁路运营商法国国家铁路公司（SNCF）就是一个很好的例子。该公司于2023年9月宣布，作为其可持续发展承诺的一部分，SNCF Voyageurs及其车辆部门致力于优化列车在其整个生命周期中的使用和使用寿命：包括中期和末期翻新以延长使用寿命并防止过时，以及回收和再利用备件等。为了实现这一目标，SNCF宣布启动一项大型更新项目，对104列高速列车“TGV”进行翻新和现代化改造，以“防止过时”（图02）。.
图 02 - 法国国家铁路公司 (SNCF) 正在更新 104 列高速列车，旨在延长现有列车的使用寿命。（来源：PRBX/SNCF）
这104列参与评估的列车于2023年第四季度和2024年第一季度接受了评估。在决定每列列车的最终命运时，将考虑多项标准，包括车体结构、金属部件、锅炉、转向架以及电气装置（包括电源）的状况。根据这些标准，列车将被分为三类：
1. 状况良好，将继续运营但需进行翻新以提升乘客舒适度的列车；
2. 由于车龄较长，需要提高可靠性并进行翻新的列车；
3. 由于部件（电子元件或底盘状况）老化而退役的列车。这些退役列车将作为备件库，因为它们包含多达3000个可回收利用的部件，可用于维修其他列车。
法国国家铁路公司（SNCF）的翻新项目完美诠释了生态设计原则：在工业环境中实现再利用、维修和延长使用寿命。长期以来，SNCF一直将零部件的再利用作为减少浪费和优化资源利用的环节。每年翻新和维修50万个高速列车（TGV）备件，而不是购买新零件，每年可节省5亿欧元。.
列车更新换代电源设计——新技术的悖论
铁路公司在列车更新换代时所需的电源种类繁多，涵盖从低功率模块到高达数百千瓦的高功率转换器（图 03）。在列车上，许多电源集成在子组件中，例如内置电源和控制器的 LED 照明系统，但也有一些系统需要符合最新法规要求的独立电源解决方案。
一般来说，翻新承包商会采用列车制造商认可的参考标准，大约 80% 的需求可以从符合铁路标准的认证电源制造商提供的现成商用产品 (COTS) 中获得。然而，在翻新和改造几十年前制造的列车时，20% 的电源需要额外的功能、更高的功率密度、更低的能耗以及许多其他规格，而且通常需要安装在专门为该应用设计的现有机箱中（图 04）。.
图 04 - PRBX 110VDC、10kW 镍镉电池充电器，用于铁路应用中铅酸电池的改造。（来源：PRBX）
在更新或现代化方面，铁路行业与其他行业遵循同样的模式，面对对更高功率密度和更低能耗日益增长的需求，电力设计人员现在正在研究宽带开关半导体（WBG）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的应用。.
碳化硅二极管已在铁路电源领域应用数十年，但功率开关晶体管在铁路应用领域相对较新。鉴于铁路设备的使用寿命可超过20年，供应链的可靠性和可持续性至关重要，因此，新技术的实施需要进行全面的技术评估，并确保供应链能够为产品提供超过20年的支持。.
在验证一项适用于高要求铁路应用的新技术的过程中，其他交通运输和机械应用领域的电气化进程也在同步推进，这有助于加速市场对宽禁带半导体（WBG）技术，尤其是碳化硅（SiC）技术的接受度，并增强市场信心。汽车行业已开展大量研究，验证宽禁带半导体技术以及碳化硅和氮化镓（GaN）在动力系统和电池充电器中的应用，从而为其他行业采用该技术奠定了基础。.
在高功率开关转换领域，许多项目采用SiC MOSFET代替IGBT，其中弗劳恩霍夫能源经济与电力系统技术研究所的MUSiCel研究项目值得一提。该项目利用创新的宽带SiC半导体，在50 kHz的开关频率下实现了250 kW的功率输出，且在整个功率范围内效率均超过98%（在100 kW功率下，效率甚至达到了98.8%）（图5）。MUSiCel研究项目最初旨在应用于农业和工程机械的电气化，但同样也适用于高功率铁路转换系统，这项研究无疑将促进SiC在未来设计中的应用。.
图 05 - 在 Fraunhofer IEE MUSiCel 项目框架内开发的 250 kW SiC DC-DC 转换器（来源：PRBX/Fraunhofer IEE）
研究其可行性、可靠性以及与现有技术相比的优势固然重要，但对于铁路制造商而言，确保最终设备整个生命周期内供应链的长期可持续性才是重中之重。与 MOSFET 技术类似，WBG 半导体制造商也投资建设了大规模生产设施或建立了合作伙伴关系，并且我们还看到一些收购案例，例如英飞凌收购 GaN Systems 和瑞萨收购 Transphorm。SiC 和 GaN 的 WBG 供应链目前正步入成熟阶段，从而确保了至关重要的元器件的长期供应。.
总之，
对于“生态设计、再利用、维修、延长使用寿命和新技术：这是否构成新的悖论？”这个问题，答案并非简单的“是”或“否”。正如我们以铁路行业为例，整个行业在设计新产品时都必须考虑所有这些方面。欧盟生态设计正在建立一种新的工作方式，从提高能源效率到延长终端设备的使用寿命，电力电子技术将发挥重要作用。可以肯定的是，这对电力设计人员来说是一个探索新领域的绝佳机会。
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参考资料：
Powerbox (PRBX)：
https://www.prbx.com/
生态链
https://ecochain.com/
法国国家铁路公司 (SNCF)
https://www.sncf.com/en
弗劳恩霍夫电气与电子工程研究所
https://www.iee.fraunhofer.de/en.html
作者简介：
Patrick Le Fèvre， Powerbox市场营销与传播总监， 是一位拥有40年电力电子行业经验的资深工程师和通信专家。他曾积极推动数字能源等新技术的商业化，并致力于降低能耗的技术创新。Le Fèvre在众多国际领先的电力电子会议上撰写并发表了大量白皮书和文章，这些内容已被全球媒体转载超过450次。此外，他还积极参与各类环保论坛，分享其在清洁能源领域的专业知识和经验。
