新兴解决方案增强电动汽车电源管理

电动汽车因其在质量、功能简单性以及最重要的能源效率方面的环保特性而变得越来越流行。功能推力由电动机驱动，与内燃机相比，电动机的结构简单。在能源效率方面，内燃机汽车和电动汽车的比较具有象征意义：内燃机汽车的能源效率为 16%，而电动汽车的能源效率为 85%。推进的电气特性比基于燃烧的特性——能量再生——具有优势。

电力提供了很大的灵活性，包括使用各种形式的能量收集，帮助为电池充电，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方案的前沿。

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确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，领先的电力系统是 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，自主性和较长的充电时间是电动汽车普及的重大障碍。为了快速充电，需要更多的功率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，才有可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，以确保快速充电时间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。这使得与硅外延层相比可以达到十分之一的厚度。电池的趋势是增加其容量，而此功能与更短的充电时间相关。反过来，这需要以高功率和高效率为特征的 OBC，例如 11 kW 和 22 kW。

随着 SCT3xHR 系列的推出，ROHM 现在提供了符合 AEC-Q101 标准的 SiC MOSFET 领域中最广泛的产品线，这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，可为实现这些要求苛刻的转换器提供可扩展、经济高效且节能的解决方案（图 2）。

图 1：SCT3xHR 的热特性。（来源：罗姆）

图 2：电动汽车电气系统的框图。（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驱动的电动汽车上路，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或企业或公共充电站接入网络时，对汽车电池的智能管理变得极具吸引力。汽车电池可用于为网络供电或取电，具体取决于吸收功率的即时需求。

该系统提供车辆中积累的能量的返回，或使用遥控器通过网络（朝向电池）提取​​。实现该系统的关键技术是双向功率逆变器，它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）。

图 3：车辆到电网 (V2G) 技术。

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

无线充电

一个令人难以置信的令人兴奋的领域是电动汽车的无线充电，这要归功于位于车库或公共停车场的充电点。充电点不一定要与汽车下方的接收器精确对齐。从长远来看，将尝试开发一个微型装载版本，它可以将长装载板和公共道路整合在一起，以便在行驶中装载EV/HEV车辆，但这将取决于在国家和地方行政层面遇到的困难的数量。

为了使 V2G 技术能够不间断地运行，提供网络稳定的优势，并允许车辆充当发电机和数据源，无线充电技术不仅必须融入车辆本身，还必须融入家庭和城市基础设施中。车辆充电。如果需要，这将允许车辆高度可用。

基于磁共振技术的无线充电允许电动汽车，无论类型或大小，通过将柔性线圈放置在源垫上，使用混凝土和沥青等材料，自动安全地充电。无线电力将允许车辆自动充电和实施 V2G 技术，不断地允许激励和衰减，而无需人工干预（图 4）。

图 4：电动汽车无线充电框图。

结论

在数字网络能力的支持下，宽带半导体技术和快速充电站将有助于加速电动汽车的普及。随着全球对电动汽车的需求增加，支持充电基础设施的需求也将增加。电动汽车的创新充电技术可以成为变革的催化剂，有助于推动电动汽车的普及，并为实现减少碳排放的目标做出很多贡献。

电动汽车的电力电子设备配备了 SiC 功率器件，可满足以下改进需求： 系统的能源效率；电动汽车的强度和功率密度；以及需要高电压和高功率的大功率应用，从而对系统性能和长期可靠性做出重要贡献。SiC MOSFET 和 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD) 确保了高频下的最大开关效率。

审核编辑：汤梓红