【導(dǎo)讀】因?yàn)橘|(zhì)量、功能簡(jiǎn)單，以及最重要的節(jié)能等環(huán)保特點(diǎn)，電動(dòng)車(EV)正變得越來越受歡迎。與燃油車相比，電動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)電動(dòng)車在能源效益方面有突出優(yōu)勢(shì)：燃油車的能源效益為16%，而電動(dòng)車的能源效益為85%，不斷推陳出新的電氣技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)能源再生。
因?yàn)橘|(zhì)量、功能簡(jiǎn)單，以及最重要的節(jié)能等環(huán)保特點(diǎn)，電動(dòng)車(EV)正變得越來越受歡迎。與燃油車相比，電動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)電動(dòng)車在能源效益方面有突出優(yōu)勢(shì)：燃油車的能源效益為16%，而電動(dòng)車的能源效益為85%，不斷推陳出新的電氣技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)電動(dòng)車本身的運(yùn)行時(shí)間。因此，能量收集技術(shù)在電動(dòng)車的研究和開發(fā)中具有廣闊的前景。
電動(dòng)車的自主性直接反映了其動(dòng)力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的效率。此外，必要的基礎(chǔ)設(shè)施，如現(xiàn)已達(dá)到幾百kW功率的強(qiáng)大快速充電系統(tǒng)，也必須嚴(yán)格遵守預(yù)先設(shè)定的尺寸和效率限制。碳化硅(silicon carbide;SiC)以其獨(dú)特的物理特性有效應(yīng)對(duì)這些新興市場(chǎng)的需求。
在混合動(dòng)力車(HEV)和電動(dòng)車中，主要的電力系統(tǒng)是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器。針對(duì)電動(dòng)交通運(yùn)輸(e-Mobility)而開發(fā)的電子系統(tǒng)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(dǎo)體組件。
強(qiáng)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(nèi)完成充電。由于車內(nèi)空間有限，電池充電系統(tǒng)必須具備高功率密度;只有這樣，才能將該系統(tǒng)整合到車輛中。
任何電動(dòng)車或插電式混合動(dòng)力車的中心，我們都能看到一個(gè)高壓電池(200~450V直流電)及其充電系統(tǒng)。得益于車載充電器(OBC)，電池可以透過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(zhuǎn)換器到22kW的單相轉(zhuǎn)換器，當(dāng)今的車載充電器必須具有極高的效率和可靠性，以確保快速充電，滿足有限的空間和重量要求。
所有快速充電系統(tǒng)都需要設(shè)計(jì)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(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)功率密度和系統(tǒng)效率的偉大目標(biāo)，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(qiáng)度，可以使用較薄的基底結(jié)構(gòu)。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)特性的車載充電器。
隨著SCT3xHR系列的推出，Rohm現(xiàn)在能提供符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的SiC MOSFET領(lǐng)域中最廣泛的產(chǎn)品線，從而保證了車載充電器和汽車應(yīng)用DC/DC轉(zhuǎn)換器所需的高可靠性(圖1)。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)也擁有符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的多種MOSFET、硅和SiC二極管組件，以及32位SPC5汽車微控制器，以便為這些高要求的轉(zhuǎn)換器提供可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)高效且節(jié)能的解決方案(圖2)。
圖1 SCT3XHR的熱特性。(數(shù)據(jù)源：Rohm)
圖2 電動(dòng)車電力系統(tǒng)框架圖。(數(shù)據(jù)源：意法半導(dǎo)體)
車輛到電網(wǎng)(V2G)
未來10年，預(yù)計(jì)將有數(shù)百萬(wàn)輛電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車上路，這對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。隨著不可程序設(shè)計(jì)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(dāng)汽車電池透過家用墻上插座、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。汽車電池可以用來為電網(wǎng)供電，也可以用來取電，這取決于吸收電能的迫切需要。
該系統(tǒng)可以將車內(nèi)積聚的能量歸還至充電站，或透過網(wǎng)絡(luò)(對(duì)電池)遙控提取能量。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)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側(cè)的高壓電池(300~500V)和低壓網(wǎng)絡(luò)側(cè)(圖3)。
圖3 V2G技術(shù)。
V2G技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)的關(guān)鍵。
無(wú)線充電
電動(dòng)車的無(wú)線充電是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，這得益于位于車庫(kù)或公共停車場(chǎng)的充電站，且充電點(diǎn)不一定要與車下的接收器精確對(duì)準(zhǔn)。今后廠商將嘗試開發(fā)一種微負(fù)載(micro-loading)版本，可以將長(zhǎng)負(fù)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/混合動(dòng)力車充電，但這取決于國(guó)家和地方行政管理層會(huì)為該類開發(fā)造成的阻礙程度。
為使V2G技術(shù)能夠不間斷地運(yùn)作，提供網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，并讓車輛充當(dāng)發(fā)電機(jī)和數(shù)據(jù)源，無(wú)線充電技術(shù)不僅必須融入車輛本身，還必須融入到為車輛充電的家庭和城市基礎(chǔ)設(shè)施中。唯有如此，車輛才能及時(shí)滿足大眾需求。
基于電磁共振技術(shù)的無(wú)線充電能夠讓各類型號(hào)的電動(dòng)車透過在電源墊上放置軟性線圈，使用混凝土和瀝青等材料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安全充電。借助無(wú)線電源，車輛可以自動(dòng)充電并實(shí)現(xiàn)V2G技術(shù)，在不需要人工干預(yù)的情況下不斷進(jìn)行激勵(lì)和衰減循環(huán)(圖4)。
圖4 電動(dòng)車無(wú)線充電框架圖。
結(jié)論
在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)能力支持下，寬能隙半導(dǎo)體技術(shù)和快速充電站將有助于加快電動(dòng)車的普及。隨著全球?qū)﹄妱?dòng)車需求不斷增長(zhǎng)，充電基礎(chǔ)設(shè)施的支持需求也將增加。電動(dòng)車的創(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(xiàn)減少碳排放的目標(biāo)做出很多貢獻(xiàn)。
電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)采用SiC功率組件能提升系統(tǒng)的能效、電動(dòng)車強(qiáng)度和功率密度，以及高電壓、高功率的大功率應(yīng)用，從而極大地提升系統(tǒng)性能和長(zhǎng)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(zhuǎn)換效率。
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