碳化硅在新能源汽车中的应用?sic新能源汽车

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本文目录

  1. 新能源汽车前沿及创新技术
  2. 新能源汽车车载电源发展方向
  3. 碳化硅在新能源汽车的应用!

一、新能源汽车前沿及创新技术

创新技术汇集了动力电池、燃料电池、电驱动系统、轻量化、自动驾驶芯片以及整车平台等领域具有标志性的最新成果,前沿技术评选采用了“专利文献扫描+专家综合研判”的评价方法,对当前研究热点进行了深刻洞察,识别出智能电池、新型驱动系统、智能网联汽车预期功能安全、先进汽车材料与工艺等八个前瞻技术方向,全面反映了汽车电动化、智能化、网联化技术创新的新趋势。

八项前沿技术:分布式驱动液氢燃料电池重型商用车关键技术、高效固体氧化物(质子导体)电解水制氢技术、高强度高淬透性热轧抗氧化免涂层热成形钢、滑板平台转向制动悬架一体化轮端驱动轮技术、多维内部信号感知的智能电池技术、智能网联汽车预期功能安全实时防护及测试评价技术、基于 ODP 和空间光学的智能车载光显示解决方案、SiC 控制器功率模块封装烧结材料及工艺技术。

八项创新技术:系统深度融合的安全高效电动汽车整车平台技术、石墨极板燃料电池强耐低温快速自启动技术、大算力自动驾驶计算芯片华山二号 A1000、基于端云融合技术的电池全场景安全解决方案、一体化压铸车身技术、磷酸盐聚阴离子型 210Wh/kg 电池关键技术、高性能励磁同步电机系统、紧凑型集成化同轴式电驱动桥。

据介绍,自 2019 年以来,世界新能源汽车大会已连续 4 年组织了全球新能源汽车前沿及创新技术评选,累计评选出 33 项创新技术和 28 项前沿技术,受到了国内外产学研各界的高度关注。科技评选结果对新能源汽车技术研究和产品开发起到了重要的方向指引作用,促进了创新要素和产业资源的集聚,已成为全球新能源汽车创新发展的风向标。

二、新能源汽车车载电源发展方向

新能源汽车车载电源发展方向

面对新能源汽车不可逆转的发展趋势以及政策将车载 OBC、DCDC 列为重点产品和国家战略性新兴产业鼓励产业,我国车载电源进入快速发展期。

从概念上看,车载电源主要包括将交流电转换为直流电的 OBC、将动力电池的高压直流电转换为低压直流电的 DCDC 转换器以及电源分销商 PDU,负责新能源汽车高压部件解决方案。随着汽车的快速发展,我国车载电源的用量与日俱增。

碳化硅在新能源汽车中的应用?sic新能源汽车

从产业结构来看,既有以富迪动力为代表的自主整车厂商,也有以联华电子、汇川技术等传统集成商为代表的一级企业,还有以电力电子为核心竞争力的第三方供应商。第三方供应商因其强大的规模和成本优势,更受到国内外整车厂的青睐。2022 年,第三方供应商将占据近 70%的市场份额。例如,自主研发的比亚迪仍选择了新锐科技的车载电源解决方案。

从车载电源的关键输出功率来看,DCDC 变换器功率大多在 1kW-4kW 范围内。车载电源 OBC 主要有 3.3kW 和 6.6kW 两种类型,其中 6.6kW 已逐渐成为行业主流。新锐科技、得润电子、威麦斯、科世达、地隆科技已开始逐步量产 11kW、22kW 大功率 OBC 产品,但 11kW 及以上大功率 OBC 产品的规模化应用仍需依靠建设充电桩等基础设施建设。

从发展趋势来看,围绕车载电源的系统成本、功率密度、效率等重要属性的发展趋势如下:

基于 OBC+DCDC 的二合一和 OBC+DCDC+PDU 三合一的产品集成解决方案已开始大规模推出,并将进一步向三电一体化方向发展其余未来的控制器;随着 11kW-22kW 等大功率 OBC 的量产,在未来很长一段时间内,将需要 3.3-22kW 多 OBC 解决方案、功率密度和成本等多样化需求。

随着新能源汽车充电容量的增加,作为分布式能源,对其余用电设备、车辆道路救援、电网联动等外部供电的需求逐渐增大。发展双向 OBC 可以有效提高新能源汽车的利用率。并逐渐成为主流选择;

随着整车向 800V 高压平台发展,采用 SiC 解决方案可以大幅减少功率器件等元器件数量,从而降低系统成本、效率。未来,受限于直流充电桩的数量和覆盖范围,小功率直流快充场景的适应性会受到限制,尚未大规模落地。我们相信车载 OBC 仍将是主流的能源补充解决方案之一,并且在短时间内仍将继续使用。这是大多数型号的标准配置。同时,随着新能源汽车产业的发展,我们预计到 2025 年我国车用电源产业规模将突破 220 亿元。

未来,车载电源技术将朝以下方向发展:

1、硬件结构更加简单,提高效率和可靠性;

2、软件控制更加精准,实现电能的高效利用和管理;

3、充电技术更便捷,为用户提供更快、更便捷的充电体验;

4、技术集成更加紧密,实现汽车能源系统的智能化、互联化。

5、未来车载电源技术将更加智能、高效、可靠,为新能源汽车提供更好的支持和保障。

三、碳化硅在新能源汽车的应用!

汽车产业是国民经济的重要支柱产业,在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进,较长一段时期内,汽车的需求量仍将保持增长势头。新能源电动汽车、汽车制造商、工业公司和研究机构也将携手合作,继续开发电动车辆和必要的基础设施。

电动汽车的前景有了明显改善,各种公司已经研究和测试了新的驱动概念,第一批混合动力和电动汽车都已上市,电力电子系统等新组件被集成到汽车中,这在传统柴油、汽油车辆中不存在的。

新能源汽车包括以下系统:驱动逆变器以驱动驱动电机(高达 300kW)、电池充电器(车载充电器)从 3.6kW 到 22kW、感应充电(无线充电)从 3.6kW 到 22kW、直流/直流转换器(高达 5kW),用于空调、转向支架、水泵等辅助单元的逆变器。

对于上述系统,电力电子元器件在确保混合动力和电动汽车的功能方面起着决定性的作用。汽车原始设备制造商对电力电子系统的要求对此类系统的开发人员来说是一个巨大的挑战。特别是空间要求、重量和效率的相互制衡,整个系统的成本和产品设计阶段的工作量要保持在较低水平,同时还必须保证产品质量的稳定和操作的安全性。

硅是半导体行业第一代基础材料,世界上大多数集成电路元器件都是以硅为衬底制造的。传统电力电子器件的效率基于硅半导体技术,通常在 85%至 95%之间变化。这意味着在每次功率转换期间,大约 10%的电能会以热量的形式损失。

但碳化硅(SiC)可以承受高功率密度从而在热设计中实现设计紧凑的系统。SiC 的导热系数几乎是 Si 半导体器件的三倍,与硅半导体相比,SiC 适用于更高的工作温度。随着电动汽车、5G 等应用的快速发展,高功率、耐高压、高频率器件的需求也在快速增长。新能源汽车行业正在成为碳化硅大规模应用的主角。

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大(Si 的 3 倍)、热导率高(Si 的 33 倍或 GaAs 的 10 倍)、电子饱和迁移速率高(Si 的 2.5 倍)和击穿电场高(Si 的 10 倍或 GaAs 的 5 倍)等特性。所以碳化硅(SiC)器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势。

碳化硅(SiC)半导体具有比 Si-IGBT 更好的开关性能,因此 SiC 在高开关频率下产生的开关损耗较小。与 Si-IGBT 相比,在高开关频率下 SiC 可获得更大的负载电流。

比较具有高开关频率应用中的 SiC-MOSFET 和 Si-GIBT,可以说由于 Si-IGBT 的高开关损耗和由此产生的热量,必须降低输出电流。这是不超过最大芯片温度并确保半导体功能的唯一方法。

因此,在高开关频率下,SiC-MOSFET 比 Si-IGBT 效率更高。

车载充电器当中也有 Sic 的应用,这是由用于电源转换的不同组件组成的复杂系统,这些系统中集成了的组件包括:半导体(如二极管、MOSFET)、无源元件(如电感器和电容器)和具有相应转换比的变压器。变压器以所需的电压为电池充电,此外也用于在充电过程中对高压电池进行电耦。

碳化硅在新能源汽车中的应用?sic新能源汽车

高压电池的续航里程是混合动力和电动汽车普及的最大掣肘之一。为了说服最终客户(即车主)相信电动汽车,许多汽车制造商目前依赖具有快速充电时间的充电系统。这是为了简化电动汽车的使用。但是快速充电意味着对于技术实施而言,需要在短时间内获得更高的充电性能。

由于车内的设计空间始终有限,因此电池充电器系统必须具有高功率密度。这是将此类系统集成到车辆中以满足市场需求的唯一方法。

电力电子元件小型化的选择之一是电感器和变压器等无源元件的更紧凑设计。这通常只有在可以控制在同一电路中部署的半导体以高开关频率时才有可能。

对于硅半导体,高开关频率下的热负载将限制这种方法。由于其出色的开关特性,SiC-MOSFET 非常适合这些情况。对于采用 Si 半导体的 DC/DC 转换器系统,开关频率限制为 25kHz。如果使用 SiC-MOSFET,则开关频率可达 160kHz,这导致整个系统的绕组质量大幅小型化,可实现高功率密度和显著的整体重量减轻。

在兼顾成本和效率以及平衡市场需求的基础上,可以预见,碳化硅 SiC 在新能源汽车中的应用将会被更多的汽车品牌所采纳。SiC 功率器件将在汽车的制造过程中越来越普及。

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