【前沿】電動汽車電源管理技術最新進展

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

電動推進技術需要在汽車中整合一種全新架構的動力傳動系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對應的系統(tǒng)組件進行多學科的深入研究。電動汽車系統(tǒng)由電動馬達、電力轉(zhuǎn)換器和儲能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構系統(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到最長的行駛距離，電子技術的發(fā)展為減少交通運輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進力。

電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)

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

電動汽車的碳化硅(SiC)功率

電動汽車的重量、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。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。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穩(wěn)壓器的開關頻率。我們都知道，在較高頻率點工作時，電感、電容和變壓器等主動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)的半導體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關斷狀態(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通電阻，從而實現(xiàn)更快的開關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，也是針對大功率解決方案的改進型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度(Debye temperature)，很高的熱傳導性(在多晶SiC中)，在電場中實現(xiàn)快速開關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致更強的輻射硬化(radiation hardening)。

SiC組件在電動汽車中有許多關鍵應用。現(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機械動能以驅(qū)動車輪，這個效率是相當高的，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，因為它能將電池能量傳遞給發(fā)動機，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電源組件在電動汽車中有許多用途。

將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應，是用SiC功率組件提高電動汽車效率的很好例子。這種架構將效率從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扇來冷卻多余的熱量。表1顯示電動汽車SiC功率組件的一些重要應用。

表1 電動汽車電子架構中的一些SiC應用。(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)(表格來源2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies)

34 第1頁/共4頁   首頁   下一頁   上一頁   尾頁