因為品質、功能簡單,以及最重要的節能等環保特點,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,有助於為電池充電,從而延長電動車本身的執行時間。因此,能量收集技術在電動車的研究和開發中具有廣闊的前景。

電動車的自主性直接反映了其動力系統和能源管理系統的效率。此外,必要的基礎設施,如現已達到幾百kW功率的強大快速充電系統,也必須嚴格遵守預先設定的尺寸和效率限制。碳化矽(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,主要的電力系統是DC/DC升壓轉換器和DC/AC逆變器。針對電動交通運輸(e-Mobility)而開發的電子系統包含從溫度、電流和電壓感測器到基於SiC和氮化鎵(GaN)的半導體元件。

強大的SiC元件

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完成充電。由於車內空間有限,電池充電系統必須具備高功率密度;只有這樣,才能將該系統整合到車輛中。

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。得益於車載充電器(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的三相大功率轉換器到22kW的單相轉換器,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。

所有快速充電系統都需要設計緊湊高效的充電站,且目前的SiC電源模組可以創建具有所需功率密度和效率的系統。為了實現功率密度和系統效率的偉大目標,有必要使用SiC電晶體和二極體。

高硬度SiC基板優越的電場強度,可以使用較薄的基底結構。這使得其厚度只有矽外延層的十分之一。今後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現在能提供符合AEC-Q101標準的SiC MOSFET領域中最廣泛的產品線,從而保證了車載充電器和汽車應用DC/DC轉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、矽和SiC二極體元件,以及32位元SPC5汽車微控制器,以便為這些高要求的轉換器提供可擴展、經濟高效且節能的解決方案(圖2)。

20191211TA31P1 圖1 SCT3XHR的熱特性。(資料來源:Rohm)

20191211TA31P2 圖2 電動車電力系統框架圖。(資料來源:意法半導體)

車輛到電網(V2G)

未來10年,預計將有數百萬輛電池驅動的電動車上路,這對電網構成了重大挑戰。隨著不可程式設計的可再生能源生產的普及,平衡電力網路的要求也在不斷增加。

當汽車電池透過家用牆上插座、企業或公共充電站接入網路時,其電池的智慧化管理變得非常有吸引力。汽車電池可以用來為電網供電,也可以用來取電,這取決於吸收電能的迫切需要。

該系統可以將車內積聚的能量歸還至充電站,或透過網路(對電池)遙控提取能量。實現該系統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)和低壓網路側(圖3)。

20191211TA31P3 圖3 V2G技術。

V2G技術有可能實現更加平衡和高效的電網。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,這得益於位於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。今後廠商將嘗試開發一種微負載(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,但這取決於國家和地方行政管理層會為該類開發造成的阻礙程度。

為使V2G技術能夠不間斷地運作,提供網路穩定性優勢,並讓車輛充當發電機和資料來源,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。

基於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,實現自動安全充電。借助無線電源,車輛可以自動充電並實現V2G技術,在不需要人工干預的情況下不斷進行激勵和衰減迴圈(圖4)。

20191211TA31P4 圖4 電動車無線充電框架圖。

結論

在數位網路能力支援下,寬能隙半導體技術和快速充電站將有助於加快電動車的普及。隨著全球對電動車需求不斷增長,充電基礎設施的支持需求也將增加。電動車的創新充電技術可以成為變革的催化劑,有助於促進e-Mobility的普及,並為實現減少碳排放的目標做出很多貢獻。

電動車的動力系統採用SiC功率元件能提升系統的能效、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性能和長期可靠性。SiC MOSFET和SiC蕭特基二極體(SBD)確保在高頻具有最高的轉換效率。

(參考原文: High-Efficiency Power Management for Electric Vehicles,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 12月號雜誌