因為質(zhì)量、功能簡(jiǎn)單，以及最重要的節能等環(huán)保特點(diǎn)，電動(dòng)車(chē)(EV)正變得越來(lái)越受歡迎。與燃油車(chē)相比，電動(dòng)馬達結構較為簡(jiǎn)單，同時(shí)電動(dòng)車(chē)在能源效益方面有突出優(yōu)勢：燃油車(chē)的能源效益為16%，而電動(dòng)車(chē)的能源效益為85%，不斷推陳出新的電氣技術(shù)還能實(shí)現能源再生。
電力提供了很大的靈活性，包括使用各種形式的能量收集，有助于為電池充電，從而延長(cháng)電動(dòng)車(chē)本身的運行時(shí)間。因此，能量收集技術(shù)在電動(dòng)車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)中具有廣闊的前景。
電動(dòng)車(chē)的自主性直接反映了其動(dòng)力系統和能源管理系統的效率。此外，必要的基礎設施，如現已達到幾百kW功率的強大快速充電系統，也必須嚴格遵守預先設定的尺寸和效率限制。碳化硅(silicon carbide;SiC)以其獨特的物理特性有效應對這些新興市場(chǎng)的需求。
在混合動(dòng)力車(chē)(HEV)和電動(dòng)車(chē)中，主要的電力系統是DC/DC升壓轉換器和DC/AC逆變器。針對電動(dòng)交通運輸(e-Mobility)而開(kāi)發(fā)的電子系統包含從溫度、電流和電壓傳感器到基于SiC和氮化鎵(GaN)的半導體組件。
強大的SiC組件
如今，自主性和充電時(shí)間極大地阻礙了電動(dòng)車(chē)的普及。為了快速充電，需要更高功率的電源，以便在更短的時(shí)間內完成充電。由于車(chē)內空間有限，電池充電系統必須具備高功率密度;只有這樣，才能將該系統整合到車(chē)輛中。
任何電動(dòng)車(chē)或插電式混合動(dòng)力車(chē)的中心，我們都能看到一個(gè)高壓電池(200~450V直流電)及其充電系統。得益于車(chē)載充電器(OBC)，電池可以透過(guò)家用交流電源或公共或私人充電站插座充電。從3.6kW的三相大功率轉換器到22kW的單相轉換器，當今的車(chē)載充電器必須具有極高的效率和可靠性，以確�？焖俪潆�，滿(mǎn)足有限的空間和重量要求。
所有快速充電系統都需要設計緊湊高效的充電站，且目前的SiC電源模塊可以創(chuàng )建具有所需功率密度和效率的系統。為了實(shí)現功率密度和系統效率的偉大目標，有必要使用SiC晶體管和二極管。
高硬度SiC基板優(yōu)越的電場(chǎng)強度，可以使用較薄的基底結構。這使得其厚度只有硅外延層的十分之一。今后電池的容量會(huì )日益增加，而這一特性與縮短充電時(shí)間有關(guān)，這就需要具有高功率和高效率(如11kW和22kW)特性的車(chē)載充電器。
隨著(zhù)SCT3xHR系列的推出，Rohm現在能提供符合AEC-Q101標準的SiC MOSFET領(lǐng)域中最廣泛的產(chǎn)品線(xiàn)，從而保證了車(chē)載充電器和汽車(chē)應用DC/DC轉換器所需的高可靠性(圖1)。意法半導體(STMicroelectronics)也擁有符合AEC-Q101標準的多種MOSFET、硅和SiC二極管組件，以及32位SPC5汽車(chē)微控制器，以便為這些高要求的轉換器提供可擴展、經(jīng)濟高效且節能的解決方案(圖2)。
圖1 SCT3XHR的熱特性。(數據源：Rohm)
圖2 電動(dòng)車(chē)電力系統框架圖。(數據源：意法半導體)
車(chē)輛到電網(wǎng)(V2G)
未來(lái)10年，預計將有數百萬(wàn)輛電池驅動(dòng)的電動(dòng)車(chē)上路，這對電網(wǎng)構成了重大挑戰。隨著(zhù)不可程序設計的可再生能源生產(chǎn)的普及，平衡電力網(wǎng)絡(luò )的要求也在不斷增加。
當汽車(chē)電池透過(guò)家用墻上插座、企業(yè)或公共充電站接入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，其電池的智能化管理變得非常有吸引力。汽車(chē)電池可以用來(lái)為電網(wǎng)供電，也可以用來(lái)取電，這取決于吸收電能的迫切需要。
該系統可以將車(chē)內積聚的能量歸還至充電站，或透過(guò)網(wǎng)絡(luò )(對電池)遙控提取能量。實(shí)現該系統的關(guān)鍵技術(shù)是一個(gè)雙向電源逆變器，該逆變器直接耦合在汽車(chē)側的高壓電池(300~500V)和低壓網(wǎng)絡(luò )側(圖3)。
圖3 V2G技術(shù)。
V2G技術(shù)有可能實(shí)現更加平衡和高效的電網(wǎng)。電力供需平衡將是電力需求增長(cháng)的關(guān)鍵。
無(wú)線(xiàn)充電
電動(dòng)車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，這得益于位于車(chē)庫或公共停車(chē)場(chǎng)的充電站，且充電點(diǎn)不一定要與車(chē)下的接收器精確對準。今后廠(chǎng)商將嘗試開(kāi)發(fā)一種微負載(micro-loading)版本，可以將長(cháng)負載板和公共道路整合在一起，從而即使在行駛中也能為電動(dòng)車(chē)/混合動(dòng)力車(chē)充電，但這取決于國家和地方行政管理層會(huì )為該類(lèi)開(kāi)發(fā)造成的阻礙程度。
為使V2G技術(shù)能夠不間斷地運作，提供網(wǎng)絡(luò )穩定性?xún)?yōu)勢，并讓車(chē)輛充當發(fā)電機和數據源，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)不僅必須融入車(chē)輛本身，還必須融入到為車(chē)輛充電的家庭和城市基礎設施中。唯有如此，車(chē)輛才能及時(shí)滿(mǎn)足大眾需求。
基于電磁共振技術(shù)的無(wú)線(xiàn)充電能夠讓各類(lèi)型號的電動(dòng)車(chē)透過(guò)在電源墊上放置軟性線(xiàn)圈，使用混凝土和瀝青等材料，實(shí)現自動(dòng)安全充電。借助無(wú)線(xiàn)電源，車(chē)輛可以自動(dòng)充電并實(shí)現V2G技術(shù)，在不需要人工干預的情況下不斷進(jìn)行激勵和衰減循環(huán)(圖4)。
 如何對電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現高效的電源管理？
圖4 電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電框架圖。
結論
在數字網(wǎng)絡(luò )能力支持下，寬能隙半導體技術(shù)和快速充電站將有助于加快電動(dòng)車(chē)的普及。隨著(zhù)全球對電動(dòng)車(chē)需求不斷增長(cháng)，充電基礎設施的支持需求也將增加。電動(dòng)車(chē)的創(chuàng )新充電技術(shù)可以成為變革的催化劑，有助于促進(jìn)e-Mobility的普及，并為實(shí)現減少碳排放的目標做出很多貢獻。
電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統采用SiC功率組件能提升系統的能效、電動(dòng)車(chē)強度和功率密度，以及高電壓、高功率的大功率應用，從而極大地提升系統性能和長(cháng)期可靠性。SiC MOSFET和SiC蕭特基二極管(SBD)確保在高頻具有最高的轉換效率。 |
