电动汽车电源管理技术最新进展
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电动推进技术需要在汽车中整合一种全新架构的动力传动系统，这种新增加的组件要求相对应的系统组件进行多学科的深入研究。电动汽车系统由电动马达、电力转换器和储能装置如锂离子电池组成，这种新的架构系统必须经过优化来最大限度地提高系统效率，使汽车在单次充电便能达到最长的行驶距离，电子技术的发展为减少交通运输的气体排放量带来重要的推进力。 电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV) 电动汽车靠电池行驶，混合动力汽车也一样，只是它还利用一个石化燃料点火的引擎作为辅助。给这些汽车供电的技术要想获得成功并拥有美好的未来，能效是关键，因此需要智能的电源管理机制，最大化地提高将电池能量转换为车轮机械驱动力的效率，从而增加单次充电的行驶距离，同时不增加碳排放，理想情况下更是能显著降低碳排放。 电动汽车的碳化硅(SiC)功率 电动汽车的重量、体积和成本，以及单次充电的行驶距离与电力转换系统的效率直接相关。SiC电源组件非常适合在汽车常见的高温环境中工作。让我们仔细看看SiC电源组件如何提高系统效率。 更轻的重量意味着里程数的延长。降低电源转换系统的重量、成本和尺寸的一种典型方式是提高开关稳压器的开关频率。我们都知道，在较高频率点工作时，电感、电容和变压器等主动组件的尺寸和重量可以缩小，既然如此，快采用SiC解决方案吧。 虽然硅(Si)电源组件也能工作在高频，但SiC的优势是能够处理比Si高得多的电压。SiC是一种宽能隙(wide band gap，WBG)的半导体组件，而较宽的能隙意味着较高的临界电场(临界电场是关断状态下的阻塞电压)。宽带隙SiC组件的高压能力允许它们具有更低的导通电阻，从而实现更快的开关速度和单极性工作状态，部分原理是其载频需要被加速至更高的速度(更高的动能)来克服更宽的能隙。 虽然砷化镓(GaA)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场，也是针对大功率解决方案的改进型组件，但SiC还有其他优势。诸如更高的最大工作温度，很高的德拜温度(Debye temperature)，很高的热传导性(在多晶SiC中)，在电场中实现快速开关和低电阻率的高载流子饱和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)带来的更低的生产成本，以及很高的阈值能量导致更强的辐射硬化(radiation hardening)。 SiC组件在电动汽车中有许多关键应用。现有的电力牵引驱动装置能够将85%的电能转换为机械动能以驱动车轮，这个效率是相当高的，但SiC也能协助提高效率。电能转换器能受益于效率的改进，因为它能将电池能量传递给发动机，而且能在电池充电器电路和任何需要的辅助电源中使用(图1)。
图1 SiC电源组件在电动汽车中有许多用途。 将750V转换到27V供低压电动汽车使用的SiC电源供应，是用SiC功率组件提高电动汽车效率的很好例子。这种架构将效率从88%提高到了惊人的96%，将尺寸和重量减少了25%，并且与Si解决方案相比不需要用风扇来冷却多余的热量。表1显示电动汽车SiC功率组件的一些重要应用。
表1 电动汽车电子架构中的一些SiC应用。(PCU是指电源控制单元;APS是指辅助电源） 电动汽车的GaN功率 GaN对于电动汽车的电源改进也功不可没。马达驱动和直流/直流控制中广泛使用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直是基于Si的产品。这些设计的开关时间通常在10k~100kHz数量级，而GaN组件的开关时间可以达到奈秒(ns)级，并且能够轻松地在200℃的汽车环境下工作。 就像SiC一样，GaN组件由于具有更高的开关速度，因此也能缩小电源架构中电感、电容和变压器的尺寸，还能因被动组件尺寸的缩小而减少总体积和重量。 我们将根据电动汽车电池的化学成分分析它们的功效，比如基于锂的化学成分以及具有高能量密度的镍氢电池(NiMH)。如前面SiC组件部分所述，为了使一次充电能够行驶更长的距离，同样需要提高电源转换架构的效率。 Si组件的开关速度和最小导通电阻已经达到最大极限，GaN似乎是超越这些极限的一种可行的方案。实验表明，如果开关频率可以提高5倍，电感和电容的体积就可以缩小至五分之一。今天的GaN技术可以支持很高的速度。 |
