英飞凌电动汽车解决之道

2012-06-15 20:04:27来源: 互联网

    6月5日,英飞凌在北京举办的汽车电子巡回研讨会上,电驱动系统产品市场总监Dusan Graovac博士表示,通过发动机、传动系统等动力总成技术的改进及混合动力技术,可将汽油发动机的燃料效率提升39%。

纯电动车行驶成本为4.25欧元/百公里

  传统汽车对能源和环保造成了越来越大的压力,对此,中、美、欧等主要汽车市场根据自身实际情况相继制定了各自的CO2排放目标,中国将在2015年达到155g/km,美国将在2016年达到140g/km,欧洲做的更好一些,2012年预计会实现120g/km的目标。

  Graovac在演讲中指出,对于自重1.4吨、百公里油耗7.7升、CO2排放182g/km的汽车,通过直喷、小型化起停、热管理、小型化气缸等技术,可将油耗降低22~29%,CO2排放减少到142g/km或130g/km。而电机功率25kW、电池容量1kWh的混合动力车百公里油耗仅为4.7升,降低了39%,CO2排放减少到112g/km。相比汽油车7.5欧元/百公里的油耗成本,纯电动车的行驶成本为4.25欧元/百公里。

 
图1 EV、PHEV和HEV市场增长趋势

    2016年,具有起停功能的混动车预计占20%,其中欧洲市场在75%以上;增压式车占35%,欧洲占60%以上。EV、PHEV和HEV方面,发展速度主要取决于当地市场需求、政府鼓励政策、燃料价格和电池成本等因素。2012年,上述3种汽车的市场规模会超过200万辆,其中HEV约160万辆,是产业过渡期的主力。2014年,EV、PHEV有可能过百万辆(见图1)。

半导体在电动车中的作用更强

  动力电池的成本通常约占整车成本的50%。在汽车使用一段时间后,电池组中每个单体电池的老化会使电池容量出现变化。控制着电池充电状态(SoC)、健康状况(SoH)和放电深度(DoD)的电池管理系统(BMS)可延长电池的寿命和储电量。英飞凌的主动电池均衡技术可将这些特性提高10%。

  在充电方面,未来的长期发展趋势是双向充电,即汽车中的电能也可传回智能电网。具体地,电能在BMS监控后,通过DC/DC转换器、PFC及射频干扰滤波器,传给智能电网。英飞凌车厂业务拓展经理曹洪宇称,日产纯电动车Leaf的充电设计就考虑到了这点,由于日本地震频繁,电池组可在地震发生后将电能传回电网,以缓解供电紧缺的压力。

  除行驶动力外,电动汽车的另一重要耗电因素是空调和电动助力转向系统。因此,需优化高压电池辅助系统的电源效率。

  Graovac表示,英飞凌与30家欧洲厂商和学术研究机构合作发起了E3Car(高能效电动汽车)研究项目,旨在开发使能效基准提升35%的技术。

SiC JFET将在2015年底出现

 在EV和HEV的逆变器和充电器中,高功率密度、高压、大电流的IGBT功率模块可为混合系统的电机提供电能。

  目前英飞凌HybridPACK系列功率模块在650V高压下,提供200A、400A、600A和800A的大电流。构成IGBT的沟槽和场截止(trench+field-stop)单元很薄,只有40μm(见图2),这样可降低开关损耗,并将导通阻抗降低8倍。12英寸晶圆的产量是6英寸的4倍。

  Graovac表示:“随着开关频率的提高,SiC材料的功率半导体器件肯定会到来。这种器件的特点是:高效、快速、高温能力强、可靠性高,高压能达2500V。SiC JFET可能在2015年底出现,可进一步提高逆变器的效率。”SiC物理特性与SiC JFET结构如图3所示。

 
图2 构成IGBT的沟槽和场截止(trench+field-stop)单元示意图

图3 SiC物理特性与SiC JFET结构示意图

    在EV和HEV应用方面,对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC转换器和AC/DC充电器,基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案如图4所示。对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器,基于IGBT和SiC的解决方案如图5所示。


图4 对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC转换器和AC/DC充电器,基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案

图5 对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器,基于IGBT和SiC的解决方案


图6 英飞凌.XT工艺与标准工艺的比较

    此外,为了把器件结温提高到200℃,英飞凌采用了.XT工艺(见图6),更高的热性能提高了输出功率,延长了使用寿命,降低了硅及系统成本。与标准工艺相比,200℃结温在器件寿命相同的情况下,可将单位硅面积的输出功率提升60%;在输出功率相同的情况下,可将单位硅面积的寿命延长5倍;在寿命和输出功率相同的情况下,可将硅面积减少40%;更高温度的冷却液能力可不再使用低温散热器。

  最后说一句关于TPMS(胎压监控系统)的题外话。据英飞凌工程师在研讨会上介绍,2007年9月,美国TPMS的装配率已达到100%。欧洲要求在2014年11月,所有的新车需装配TPMS。日本预计在2016年实现100%的装配率。而中国仅在2011年7月实施了TPMS推荐标准,笔者认为这远远不够。中国汽车销售量已达全球首位,如此多的车辆中,每年都会发生大量因爆胎引发的重大交通事故。而爆胎一旦发生,车辆极易失控,多是车毁人亡的严重后果。所以有必要在国内加快TPMS的强制性要求,提高安装率,保证驾乘者的生命安全。

关键字:解决

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0615/article_5555.html
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