电动汽车：为更绿色的世界做出贡献

EE Times 第二届年度先进汽车技术论坛（前身 为下一代 EV 和 AV 路线图）审视了电动汽车 (EV) 和 自动驾驶技术汽车市场快速变化的格局。EV（电动汽车）小组讨论由动力总成和充电站轨道的主讲人组成，讨论了从宽禁带 (WBG) 半导体（包括碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）到可再生能源的广泛主题用于制造 SiC 晶片。

AspenCore电力电子新闻主编、小组主持人 Maurizio Di Paolo Emilio 就电动汽车行业的主要趋势进行了圆桌讨论。讨论的一部分集中在 WBG 半导体及其在电动汽车和其他电动汽车应用中的日益普及，这要归功于它们更高的效率以及重量和尺寸的节省。

这与几个关键趋势相吻合，包括从当前的 400 伏标准转向 800 伏 (V) 系统、350 千瓦 (kW) 及更高功率的更高功率直流充电站、无线电池管理系统以及未来的无线充电。碳化硅晶圆制造的成本和对额外产能的需求也被提上了议事日程。

小组成员还研究了电动汽车广泛采用的几个障碍，包括车辆成本、里程焦虑、更快充电的需求以及技术挑战。尽管在电动汽车市场仍面临挑战，但小组成员最重要的主题是他们对创造一个更可持续和更绿色的世界以及开发有助于节能的技术的工作的热情。

该小组由五位行业专家组成。参与 EV 充电环节的嘉宾包括 Eggtronic 首席执行官兼首席技术官 Igor Spinella，他谈到了 EV 无线充电技术和动态充电的潜力，以及ABB Power Conversion工业部门负责人 Gopal Mitra和全球业务部 Daan Nap ABB E-Mobility 的发展，他们都讨论了电动汽车充电解决方案以及电力和充电基础设施的挑战。

为电动汽车动力总成做出贡献的小组成员包括德州仪器 (TI)系统工程营销部汽车系统总监 Ryan Manack，他强调了 GaN 和先进电池管理系统的进步，以及 Wolfspeed 首席技术官兼联合创始人 John Palmour，他提供了有关在电动汽车电池中采用 SiC 驱动系统逆变器的见解。

以下是小组讨论的重点。

使能技术

TI 的 Ryan Manack 在圆桌会议开始时讨论了推动电动汽车广泛采用需要解决的一些关键障碍。其中两个挑战是车辆成本和里程焦虑。

Manack 表示，新的创新可以帮助克服广泛采用的一些障碍，包括 GaN 等 WBG 技术，由于其更高的运行效率和先进的电池管理系统，它可以帮助延长行驶里程。还有一些趋势，比如使用磷酸铁锂 (LFP) 来降低成本，而不是镍锰钴和其他化学物质以及新的无线 BMS，“这是成本、可制造性和可维护性的游戏规则改变者，”他说。

Manack 说，世界各国政府都积极减少二氧化碳排放，原始设备制造商致力于开发和交付这些零排放汽车。“还有很多工作要做，但很难想象现在还有比汽车电子产品更令人兴奋的地方。”

同样，Wolfspeed 的首席技术官 Palmour 讨论了在动力总成逆变器中使用 SiC 的好处。更高的效率“对汽车原始设备制造商来说具有真正的价值”，但他强调，这并不是与硅 IGBT 的组件间比较。必须进行系统级分析，“但底线是使用 SiC 使车辆更便宜，因为它可以节省电池成本和/或扩大续航里程。”

Palmour 表示，SiC 在 400-V 总线的电动汽车逆变器中获得了非常迅速的牵引力——没有双关语，同时大力推动 800-V 总线“与硅 IGBT 相比，SiC 更加闪耀”，这允许快速充电。

他说，尽管 SiC 制造比硅更耗能，但对于 800 V 总线，额外的能量在车辆的整个生命周期内以大约 13 比 1 的比率返回。

电动巴士或长途卡车的回报甚至更高。Palmour 补充说，这大约是 32 比 1 的能源投资回报率，这对业主在整个生命周期内的能源使用而言是非常显着的节省。

那么 800-V 系统趋势将如何影响功率器件的选择呢？毫无疑问，从 400 V 升级到 800 V 是一种趋势，这一切都是为了提高性能和充电时间，Manack 说。“当今市场上有许多器件可供选择——硅、IGBT、SiC 和 GaN。所有这四种都将继续在汽车和充电站内共存。每个都为设计带来独特的特征。”

Manack说，TI的策略是将驱动器集成到GaN器件中，这样可以降低开关电感，并实现敢达150 V/纳秒的开关，TI的器件可以运行高达2.2 MHz。“能够更快地切换使车载充电器（OBC）的直流-直流转换器中的磁性更小并且将磁性体的尺寸缩小60%是巨大的。我们说的是减轻车辆重量。有机会缩小磁性体的尺寸，第二个更有效地工作，这些都是像GaN这样的WBG半导体带来的优势。”

WBG 半导体能够以非常高的效率推动极高的开关频率功率转换，Manack 说。他补充说，DC-to-DC 对 GaN 来说是一个非常重要的空间，因为它可以通过磁性、高效率和更简单的热管理来节省尺寸和重量，即使是在特定应用中的板载充电也是如此。

Manack 表示，GaN 正在关注那些重视高开关频率的领域，并利用每纳秒 150 V 的开关性能来实现这些应用中的终极功率密度。“我们为减轻重量和降低车辆成本所做的任何事情都将增加续航里程并使其对消费者更具吸引力。”

Manack 还指出，在两个 400 V 电源相互堆叠的情况下，没有理由不能在 400 V 下使用传统电桥。“我们认为这肯定是一种趋势，并且确实在系统内提供了冗余。”

Manack 表示，从电池管理系统 (BMS) 的角度来看，无线趋势开始在汽车制造商中升温。在更高的电压下，“有很多串联堆叠的电池，每个电池都必须受到监控，如果您谈论的是 LFP，则必须非常准确地监控。”

在传统的有线 BMS 中，一个电池监控器正在监控 12 或 16 个电池，然后下一个电池监控器正在测量接下来的 12 到 16 个电池，这些电池通过电线以菊花链方式连接，这面临着一些挑战，包括延迟和潜在的手动组装，这增加了他解释说，成本和时间。

有了无线 BMS，电线就被消除了，每个电池监视器之间有一条射频链路直接连接到电池管理单元，因此延迟减少了，并且可以直接与 VMU [车辆管理单元] 通信，并且可制造性变得很多更简单，Manack 说。

无线充电的障碍

除了续航里程焦虑之外，采用电动汽车的最大障碍之一是缺乏充电站以及电池充电速度。一种可能的答案是无线充电。Eggtronic 的首席执行官兼首席技术官 Spinella 表示，越来越多的公司正在寻求提供无线充电，它具有一系列好处，包括消除电缆、方便以及可能消除充电时间。

由于效率、成本、基础设施和标准化等几个因素，小组成员认为无线充电不会很快成为电动汽车的主流。此外，更高功率的电子产品也带来了一系列挑战，Mitra 说。

选择无线技术有几个原因，但由于这些挑战，没有人在电动汽车中采用无线充电，Spinella 说。他讨论了静态和动态无线充电的区别和局限性，以及如何克服这些挑战。此外，他补充说，在谈论无线充电时，总是需要讨论标准化。

静态无线充电在短期内是最有可能的，并且可以很快起飞。斯皮内拉说。相比之下，动态无线充电更为复杂，但应该为其开发基础设施。但这是长期的，他补充说。

Mitra 表示，对于手机和消费类设备来说，低瓦数的无线充电是主流，但对于更高的功率，如何在没有太大损失的情况下无线传输这种功率是一个重大挑战。

“但话虽如此，动态和静态充电都有测试轨道。这方面已经取得了进展，也许在五到六年内，这可能会成为我们为车辆充电的方式，但就目前和可预见的未来而言，基于电缆的充电将成为必经之路，”他补充道。

直流充电站的未来

ABB Power Conversion 的 Mitra 表示，采用电动汽车的最大挑战之一是充电器可用于所有不同的用例。他补充说，第三个挑战是支持这些用例的电力电子拓扑。

ABB E-Mobility 的 Nap 解决了 350 kW 更高功率充电的趋势，主要用于卡车和公共汽车等重型车辆，以及高达 1 兆瓦 (MW) 的长途卡车运输，甚至更高的电动渡轮和电动航空。如今，能够以 350 kW 充电的乘用电动汽车非常有限，但 Nap 表示，随着汽车 OEM 转向 800-V 系统，这种情况将会发生。

Mitra 说，大功率充电将变得更加普遍，当您需要更多功率时，挑战就是当前。“为了保持电流可控，你必须使用更高的电压——800V 电池——而且有些公司甚至关注 1500V，因此上限将继续被推高。”

此外，对于更高功率的拓扑结构，还有许多效率方面的考虑因素，因为在高电流和高电压下，可能会重点关注能量损失并调整拓扑结构以将其降至最低，他说。“即使是 1% 的节省，在如此大的功率下也是显着的节省。我们将看到更多具有不同拓扑结构的大功率充电器，特别是一些具有连接到不同能源的公共直流母线，甚至是连接到同一电网的绿色能源。”

“这真的是一个激动人心的时刻，电动汽车即将到来，充电就在那里，它融入了一个更广泛的生态系统，包括可再生能源和本地能源储存和发电，所以如果我们在 10 年或 15 年后讨论这个问题，世界将会看起来明显不同，”Nap 说。

使用更环保的电网会更好地实现电气化吗？米特拉说，绿色能源的采用在很大程度上是由环境因素推动的，目前有许多绿色能源——主要是太阳能、风能和水力——正在为能源市场做出贡献。

他还指出，绿色能源的数字化管理至关重要。最大的挑战是认识到这些能源中的每一种都有自己的发电概况。

“风不是一天 24 小时都在吹，阳光也不是一天 24 小时都在照耀着，将这一发电配置文件与电网需求配置文件相匹配始终是一个挑战，”Mitra 说。

他补充说，为了在区域层面或城市层面做到这一点，电力生产商和能源分销商利用数字电力管理工具。“当我们看到这种从化石燃料到绿色能源的能源转变时，我们管理绿色能源的方式以及我们消费它的方式将会发生转变。”

Manack 很好地总结了小组讨论，他说：“世界瞬息万变，看到道路上电动汽车的数量以及太阳能电池板和风车的数量，事情发生的变化之快真是令人惊讶。即使回顾十年，这就像在很短的时间内发生了一个数量级的变化。我们将继续努力解决行业中关于效率、成本和速度的这些关键问题。我们都将发挥关键作用，让电气化继续普及，让世界变得更清洁、更环保，因此这将是一段激动人心的旅程。”

审核编辑 黄昊宇