【干貨】分析電動(dòng)汽車電源管理技術(shù)最新進(jìn)展

新能源汽車網(wǎng)訊 電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)組件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。

“拯救我們的地球，讓地球遠(yuǎn)離污染！”這是世界各地的科學(xué)家和有識(shí)之士對(duì)降低溫室氣體排放的一致呼聲。由石化燃料引擎驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)?，雖然推動(dòng)汽車行進(jìn)的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是——電力(Electricity)。

電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)組件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過優(yōu)化來最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車在單次充電便能達(dá)到最長(zhǎng)的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進(jìn)力。

電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)

電動(dòng)汽車靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車也一樣，只是它還利用一個(gè)石化燃料點(diǎn)火的引擎作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時(shí)不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。

電動(dòng)汽車的碳化硅(SiC)功率

電動(dòng)汽車的重量、體積和成本，以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源組件非常適合在汽車常見的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看SiC電源組件如何提高系統(tǒng)效率。

更輕的重量意味著里程數(shù)的延長(zhǎng)。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。我們都知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等主動(dòng)組件的尺寸和重量可以縮小，既然如此，快采用SiC解決方案吧。

雖然硅(Si)電源組件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢(shì)是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap，WBG)的半導(dǎo)體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(chǎng)(臨界電場(chǎng)是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙SiC組件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至更高的速度(更高的動(dòng)能)來克服更寬的能隙。

雖然砷化鎵(GaA)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場(chǎng)，也是針對(duì)大功率解決方案的改進(jìn)型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢(shì)。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度(Debye temperature)，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導(dǎo)致更強(qiáng)的輻射硬化(radiation hardening)。

SiC組件在電動(dòng)汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能以驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。

▲圖1 SiC電源組件在電動(dòng)汽車中有許多用途

將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動(dòng)汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動(dòng)汽車效率的很好例子。這種架構(gòu)將效率從88%提高到了驚人的96%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來冷卻多余的熱量。表1顯示電動(dòng)汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。

表1 電動(dòng)汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用。(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)

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