【導讀】因為質(zhì)量、功能簡單，以及最重要的節(jié)能等環(huán)保特點，電動車(EV)正變得越來越受歡迎。與燃油車相比，電動馬達結構較為簡單，同時電動車在能源效益方面有突出優(yōu)勢：燃油車的能源效益為16%，而電動車的能源效益為85%，不斷推陳出新的電氣技術還能實現(xiàn)能源再生。
因為質(zhì)量、功能簡單，以及最重要的節(jié)能等環(huán)保特點，電動車(EV)正變得越來越受歡迎。與燃油車相比，電動馬達結構較為簡單，同時電動車在能源效益方面有突出優(yōu)勢：燃油車的能源效益為16%，而電動車的能源效益為85%，不斷推陳出新的電氣技術還能實現(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，從而延長電動車本身的運行時間。因此，能量收集技術在電動車的研究和開發(fā)中具有廣闊的前景。
電動車的自主性直接反映了其動力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的效率。此外，必要的基礎設施，如現(xiàn)已達到幾百kW功率的強大快速充電系統(tǒng)，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的需求。
在混合動力車(HEV)和電動車中，主要的電力系統(tǒng)是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器。針對電動交通運輸(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)的半導體組件。
強大的SiC組件
如今，自主性和充電時間極大地阻礙了電動車的普及。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。
任何電動車或插電式混合動力車的中心，我們都能看到一個高壓電池(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(tǒng)。為了實現(xiàn)功率密度和系統(tǒng)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。今后電池的容量會日益增加，而這一特性與縮短充電時間有關，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標準的SiC MOSFET領域中最廣泛的產(chǎn)品線，從而保證了車載充電器和汽車應用DC/DC轉(zhuǎn)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汽車微控制器，以便為這些高要求的轉(zhuǎn)換器提供可擴展、經(jīng)濟高效且節(jié)能的解決方案(圖2)。
圖1 SCT3XHR的熱特性。(數(shù)據(jù)源：Rohm)
圖2 電動車電力系統(tǒng)框架圖。(數(shù)據(jù)源：意法半導體)
車輛到電網(wǎng)(V2G)
未來10年，預計將有數(shù)百萬輛電池驅(qū)動的電動車上路，這對電網(wǎng)構成了重大挑戰(zhàn)。隨著不可程序設計的可再生能源生產(chǎn)的普及，平衡電力網(wǎng)絡的要求也在不斷增加。
當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)絡時，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(對電池)遙控提取能量。實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術是一個雙向電源逆變器，該逆變器直接耦合在汽車側的高壓電池(300~500V)和低壓網(wǎng)絡側(圖3)。
圖3 V2G技術。
V2G技術有可能實現(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的關鍵。
無線充電
電動車的無線充電是一個令人興奮的領域，這得益于位于車庫或公共停車場的充電站，且充電點不一定要與車下的接收器精確對準。今后廠商將嘗試開發(fā)一種微負載(micro-loading)版本，可以將長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車/混合動力車充電，但這取決于國家和地方行政管理層會為該類開發(fā)造成的阻礙程度。
為使V2G技術能夠不間斷地運作，提供網(wǎng)絡穩(wěn)定性優(yōu)勢，并讓車輛充當發(fā)電機和數(shù)據(jù)源，無線充電技術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設施中。唯有如此，車輛才能及時滿足大眾需求。
基于電磁共振技術的無線充電能夠讓各類型號的電動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，實現(xiàn)自動安全充電。借助無線電源，車輛可以自動充電并實現(xiàn)V2G技術，在不需要人工干預的情況下不斷進行激勵和衰減循環(huán)(圖4)。
圖4 電動車無線充電框架圖。
結論
在數(shù)字網(wǎng)絡能力支持下，寬能隙半導體技術和快速充電站將有助于加快電動車的普及。隨著全球?qū)﹄妱榆囆枨蟛粩嘣鲩L，充電基礎設施的支持需求也將增加。電動車的創(chuàng)新充電技術可以成為變革的催化劑，有助于促進e-Mobility的普及，并為實現(xiàn)減少碳排放的目標做出很多貢獻。
電動車的動力系統(tǒng)采用SiC功率組件能提升系統(tǒng)的能效、電動車強度和功率密度，以及高電壓、高功率的大功率應用，從而極大地提升系統(tǒng)性能和長期可靠性。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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