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电动汽车的高效电源管理

电动汽车正变得越来越流行,其在质量、功能简单以及最重要的能源效率方面具有环保特性。功能推力由电动机驱动,与内燃机相比,其结构简单。在能效方面,燃油车和电动车的对比很有代表性:燃油车的能效为16%,而电动车的能效为85%。推进的电力性质比基于燃烧的电力更具优势——能量的再生。

电力提供了很大的灵活性,包括使用各种形式的能量收集来帮助给电池充电,从而延长车辆本身的运行时间。因此,能量收集技术处于电动汽车研发场景的前沿。

电动汽车的自主性直接反映了其动力总成和能源管理系统的效率。此外,必要的基础设施,例如现在达到数百千瓦功率的强大快速充电系统,同样需要严格遵守预先设定的尺寸和效率限制。通过其特定的物理特性,碳化硅 (SiC) 代表了对这些新市场需求的有效响应。

在混合动力和电动汽车中,领先的电子电源系统是 DC/DC 升压转换器和 DC/AC 逆变器。为电动汽车开发的电子系统范围从温度、电流和电压传感器到基于 SiC 和氮化镓 (GaN) 的半导体。

碳化硅强大

如今,自主性和充电时间长是电动汽车普及的重大障碍。为了快速充电,需要更多的电量才能在更短的时间内进行充电。由于车内可用空间有限,电池充电系统必须提供高功率密度;只有这样,才能将这些系统集成到车辆中。

在任何电动汽车 (EV) 或插电式混合动力汽车 (HEV) 的中心,我们都可以找到高压电池(200 至 450 VDC)及其充电系统。车载充电器 (OBC) 提供了从家里的交流电源或公共或私人充电站的插座为电池充电的方法。从 3.6 kW 到 22 kW 单相的三相大功率转换器,当今的 OBC 必须具有尽可能高的效率和可靠性,以确保快速充电并满足有限的空间和重量要求。

所有快速充电系统都需要建立具有紧凑高效设计的充电站,而当前的 SiC 功率模块允许创建具有所需功率密度和效率的系统。为了实现有关功率密度和系统效率的宏伟目标,有必要使用 SiC 晶体管和二极管。

高硬度 SiC 衬底的卓越电场强度允许使用更薄的基础结构。与硅外延层相比,这使得其厚度可以达到十分之一。电池的趋势是增加其容量,而此功能与更短的充电时间有关。反过来,这需要具有高功率和高效率的 OBC,例如 11 kW 和 22 kW。

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图 1:SCT3xHR 的热特性。(来源:罗姆)

随着 SCT3xHR 系列的推出,ROHM 现在提供符合 AEC-Q101 标准的 SiC MOSFET 领域最广泛的产品线,保证了车载充电器和汽车应用 DC/DC 转换器所需的高可靠性(图 1)。STMicroelectronics 还拥有各种符合 AEC-Q101 标准的 MOSFET、硅和碳化硅 (SiC) 二极管,以及 32 位 SPC5 汽车微控制器,为实现这些要求苛刻的转换器提供可扩展、经济高效和节能的解决方案(图 2)。

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图 2:电动汽车电气系统框图。(来源:意法半导体)

车辆到电网

预计未来十年将有数百万辆电池供电的电动汽车上路,这对电网提出了重大挑战。随着非可编程可再生能源生产的普及,平衡网络的需求不断增加。

当汽车电池通过家用充电墙盒、企业或公共充电站接入网络时,汽车电池的智能管理变得极具吸引力。汽车电池可用于向网络供电,也可取用,具体取决于吸收功率的即时需求。
该系统提供在车辆中累积的能量的返回,或者使用遥控器通过网络(朝向电池)撤回。实现该系统的关键技术是双向功率逆变器,该逆变器在汽车侧直接耦合到高压电池(300 至 500 伏)和低压网络侧(图 3)。

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图 3:车辆到电网 (V2G) 技术。

车辆到电网 (V2G) 技术有可能实现更加平衡和高效的电网。随着电力需求的增加,平衡供需将是关键。

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