電動(dòng)汽車：為更綠色的世界做出貢獻(xiàn)

EE Times 第二屆年度先進(jìn)汽車技術(shù)論壇（前身?為下一代 EV 和 AV 路線圖）審視了電動(dòng)汽車 (EV) 和?自動(dòng)駕駛技術(shù)汽車市場(chǎng)快速變化的格局。EV（電動(dòng)汽車）小組討論由動(dòng)力總成和充電站軌道的主講人組成，討論了從寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體（包括碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)）到可再生能源的廣泛主題用于制造 SiC 晶片。

AspenCore電力電子新聞主編、小組主持人 Maurizio Di Paolo Emilio 就電動(dòng)汽車行業(yè)的主要趨勢(shì)進(jìn)行了圓桌討論。討論的一部分集中在 WBG 半導(dǎo)體及其在電動(dòng)汽車和其他電動(dòng)汽車應(yīng)用中的日益普及，這要?dú)w功于它們更高的效率以及重量和尺寸的節(jié)省。

這與幾個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)相吻合，包括從當(dāng)前的 400 伏標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向 800 伏 (V) 系統(tǒng)、350 千瓦 (kW) 及更高功率的更高功率直流充電站、無(wú)線電池管理系統(tǒng)以及未來(lái)的無(wú)線充電。碳化硅晶圓制造的成本和對(duì)額外產(chǎn)能的需求也被提上了議事日程。

小組成員還研究了電動(dòng)汽車廣泛采用的幾個(gè)障礙，包括車輛成本、里程焦慮、更快充電的需求以及技術(shù)挑戰(zhàn)。盡管在電動(dòng)汽車市場(chǎng)仍面臨挑戰(zhàn)，但小組成員最重要的主題是他們對(duì)創(chuàng)造一個(gè)更可持續(xù)和更綠色的世界以及開(kāi)發(fā)有助于節(jié)能的技術(shù)的工作的熱情。

該小組由五位行業(yè)專家組成。參與 EV 充電環(huán)節(jié)的嘉賓包括 Eggtronic 首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官 Igor Spinella，他談到了 EV 無(wú)線充電技術(shù)和動(dòng)態(tài)充電的潛力，以及ABB Power Conversion工業(yè)部門(mén)負(fù)責(zé)人 Gopal Mitra和全球業(yè)務(wù)部 Daan Nap ABB E-Mobility 的發(fā)展，他們都討論了電動(dòng)汽車充電解決方案以及電力和充電基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)。

為電動(dòng)汽車動(dòng)力總成做出貢獻(xiàn)的小組成員包括德州儀器 (TI)系統(tǒng)工程營(yíng)銷部汽車系統(tǒng)總監(jiān) Ryan Manack，他強(qiáng)調(diào)了 GaN 和先進(jìn)電池管理系統(tǒng)的進(jìn)步，以及 Wolfspeed 首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 John Palmour，他提供了有關(guān)在電動(dòng)汽車電池中采用 SiC 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器的見(jiàn)解。

以下是小組討論的重點(diǎn)。

使能技術(shù)

TI 的 Ryan Manack 在圓桌會(huì)議開(kāi)始時(shí)討論了推動(dòng)電動(dòng)汽車廣泛采用需要解決的一些關(guān)鍵障礙。其中兩個(gè)挑戰(zhàn)是車輛成本和里程焦慮。

Manack 表示，新的創(chuàng)新可以幫助克服廣泛采用的一些障礙，包括 GaN 等 WBG 技術(shù)，由于其更高的運(yùn)行效率和先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)，它可以幫助延長(zhǎng)行駛里程。還有一些趨勢(shì)，比如使用磷酸鐵鋰 (LFP) 來(lái)降低成本，而不是鎳錳鈷和其他化學(xué)物質(zhì)以及新的無(wú)線 BMS，“這是成本、可制造性和可維護(hù)性的游戲規(guī)則改變者，”他說(shuō)。

Manack 說(shuō)，世界各國(guó)政府都積極減少二氧化碳排放，原始設(shè)備制造商致力于開(kāi)發(fā)和交付這些零排放汽車。“還有很多工作要做，但很難想象現(xiàn)在還有比汽車電子產(chǎn)品更令人興奮的地方?！?/p>

同樣，Wolfspeed 的首席技術(shù)官 Palmour 討論了在動(dòng)力總成逆變器中使用 SiC 的好處。更高的效率“對(duì)汽車原始設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)具有真正的價(jià)值”，但他強(qiáng)調(diào)，這并不是與硅 IGBT 的組件間比較。必須進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析，“但底線是使用 SiC 使車輛更便宜，因?yàn)樗梢怨?jié)省電池成本和/或擴(kuò)大續(xù)航里程?！?/p>

Palmour 表示，SiC 在 400-V 總線的電動(dòng)汽車逆變器中獲得了非常迅速的牽引力——沒(méi)有雙關(guān)語(yǔ)，同時(shí)大力推動(dòng) 800-V 總線“與硅 IGBT 相比，SiC 更加閃耀”，這允許快速充電。

他說(shuō)，盡管 SiC 制造比硅更耗能，但對(duì)于 800 V 總線，額外的能量在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)以大約 13 比 1 的比率返回。

電動(dòng)巴士或長(zhǎng)途卡車的回報(bào)甚至更高。Palmour 補(bǔ)充說(shuō)，這大約是 32 比 1 的能源投資回報(bào)率，這對(duì)業(yè)主在整個(gè)生命周期內(nèi)的能源使用而言是非常顯著的節(jié)省。

那么 800-V 系統(tǒng)趨勢(shì)將如何影響功率器件的選擇呢？毫無(wú)疑問(wèn)，從 400 V 升級(jí)到 800 V 是一種趨勢(shì)，這一切都是為了提高性能和充電時(shí)間，Manack 說(shuō)?！爱?dāng)今市場(chǎng)上有許多器件可供選擇——硅、IGBT、SiC 和 GaN。所有這四種都將繼續(xù)在汽車和充電站內(nèi)共存。每個(gè)都為設(shè)計(jì)帶來(lái)獨(dú)特的特征。”

Manack說(shuō)，TI的策略是將驅(qū)動(dòng)器集成到GaN器件中，這樣可以降低開(kāi)關(guān)電感，并實(shí)現(xiàn)敢達(dá)150 V/納秒的開(kāi)關(guān)，TI的器件可以運(yùn)行高達(dá)2.2 MHz。“能夠更快地切換使車載充電器（OBC）的直流-直流轉(zhuǎn)換器中的磁性更小并且將磁性體的尺寸縮小60%是巨大的。我們說(shuō)的是減輕車輛重量。有機(jī)會(huì)縮小磁性體的尺寸，第二個(gè)更有效地工作，這些都是像GaN這樣的WBG半導(dǎo)體帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。”

WBG 半導(dǎo)體能夠以非常高的效率推動(dòng)極高的開(kāi)關(guān)頻率功率轉(zhuǎn)換，Manack 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，DC-to-DC 對(duì) GaN 來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的空間，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)磁性、高效率和更簡(jiǎn)單的熱管理來(lái)節(jié)省尺寸和重量，即使是在特定應(yīng)用中的板載充電也是如此。

Manack 表示，GaN 正在關(guān)注那些重視高開(kāi)關(guān)頻率的領(lǐng)域，并利用每納秒 150 V 的開(kāi)關(guān)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用中的終極功率密度?！拔覀?yōu)闇p輕重量和降低車輛成本所做的任何事情都將增加續(xù)航里程并使其對(duì)消費(fèi)者更具吸引力?！?/p>

Manack 還指出，在兩個(gè) 400 V 電源相互堆疊的情況下，沒(méi)有理由不能在 400 V 下使用傳統(tǒng)電橋?！拔覀冋J(rèn)為這肯定是一種趨勢(shì)，并且確實(shí)在系統(tǒng)內(nèi)提供了冗余?！?/p>

Manack 表示，從電池管理系統(tǒng) (BMS) 的角度來(lái)看，無(wú)線趨勢(shì)開(kāi)始在汽車制造商中升溫。在更高的電壓下，“有很多串聯(lián)堆疊的電池，每個(gè)電池都必須受到監(jiān)控，如果您談?wù)摰氖?LFP，則必須非常準(zhǔn)確地監(jiān)控。”

在傳統(tǒng)的有線 BMS 中，一個(gè)電池監(jiān)控器正在監(jiān)控 12 或 16 個(gè)電池，然后下一個(gè)電池監(jiān)控器正在測(cè)量接下來(lái)的 12 到 16 個(gè)電池，這些電池通過(guò)電線以菊花鏈方式連接，這面臨著一些挑戰(zhàn)，包括延遲和潛在的手動(dòng)組裝，這增加了他解釋說(shuō)，成本和時(shí)間。

有了無(wú)線 BMS，電線就被消除了，每個(gè)電池監(jiān)視器之間有一條射頻鏈路直接連接到電池管理單元，因此延遲減少了，并且可以直接與 VMU [車輛管理單元] 通信，并且可制造性變得很多更簡(jiǎn)單，Manack 說(shuō)。

無(wú)線充電的障礙

除了續(xù)航里程焦慮之外，采用電動(dòng)汽車的最大障礙之一是缺乏充電站以及電池充電速度。一種可能的答案是無(wú)線充電。Eggtronic 的首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官 Spinella 表示，越來(lái)越多的公司正在尋求提供無(wú)線充電，它具有一系列好處，包括消除電纜、方便以及可能消除充電時(shí)間。

由于效率、成本、基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)化等幾個(gè)因素，小組成員認(rèn)為無(wú)線充電不會(huì)很快成為電動(dòng)汽車的主流。此外，更高功率的電子產(chǎn)品也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，Mitra 說(shuō)。

選擇無(wú)線技術(shù)有幾個(gè)原因，但由于這些挑戰(zhàn)，沒(méi)有人在電動(dòng)汽車中采用無(wú)線充電，Spinella 說(shuō)。他討論了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的區(qū)別和局限性，以及如何克服這些挑戰(zhàn)。此外，他補(bǔ)充說(shuō)，在談?wù)摕o(wú)線充電時(shí)，總是需要討論標(biāo)準(zhǔn)化。

靜態(tài)無(wú)線充電在短期內(nèi)是最有可能的，并且可以很快起飛。斯皮內(nèi)拉說(shuō)。相比之下，動(dòng)態(tài)無(wú)線充電更為復(fù)雜，但應(yīng)該為其開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施。但這是長(zhǎng)期的，他補(bǔ)充說(shuō)。

Mitra 表示，對(duì)于手機(jī)和消費(fèi)類設(shè)備來(lái)說(shuō)，低瓦數(shù)的無(wú)線充電是主流，但對(duì)于更高的功率，如何在沒(méi)有太大損失的情況下無(wú)線傳輸這種功率是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

“但話雖如此，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)充電都有測(cè)試軌道。這方面已經(jīng)取得了進(jìn)展，也許在五到六年內(nèi)，這可能會(huì)成為我們?yōu)檐囕v充電的方式，但就目前和可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)而言，基于電纜的充電將成為必經(jīng)之路，”他補(bǔ)充道。

直流充電站的未來(lái)

ABB Power Conversion 的 Mitra 表示，采用電動(dòng)汽車的最大挑戰(zhàn)之一是充電器可用于所有不同的用例。他補(bǔ)充說(shuō)，第三個(gè)挑戰(zhàn)是支持這些用例的電力電子拓?fù)洹?/p>

ABB E-Mobility 的 Nap 解決了 350 kW 更高功率充電的趨勢(shì)，主要用于卡車和公共汽車等重型車輛，以及高達(dá) 1 兆瓦 (MW) 的長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸，甚至更高的電動(dòng)渡輪和電動(dòng)航空。如今，能夠以 350 kW 充電的乘用電動(dòng)汽車非常有限，但 Nap 表示，隨著汽車 OEM 轉(zhuǎn)向 800-V 系統(tǒng)，這種情況將會(huì)發(fā)生。

Mitra 說(shuō)，大功率充電將變得更加普遍，當(dāng)您需要更多功率時(shí)，挑戰(zhàn)就是當(dāng)前?！盀榱吮３?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流可控，你必須使用更高的電壓——800V 電池——而且有些公司甚至關(guān)注 1500V，因此上限將繼續(xù)被推高?！?/p>

此外，對(duì)于更高功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還有許多效率方面的考慮因素，因?yàn)樵诟唠娏骱透唠妷合?，可能?huì)重點(diǎn)關(guān)注能量損失并調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以將其降至最低，他說(shuō)?！凹词故?1% 的節(jié)省，在如此大的功率下也是顯著的節(jié)省。我們將看到更多具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大功率充電器，特別是一些具有連接到不同能源的公共直流母線，甚至是連接到同一電網(wǎng)的綠色能源?！?/p>

“這真的是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，電動(dòng)汽車即將到來(lái)，充電就在那里，它融入了一個(gè)更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，包括可再生能源和本地能源儲(chǔ)存和發(fā)電，所以如果我們?cè)?10 年或 15 年后討論這個(gè)問(wèn)題，世界將會(huì)看起來(lái)明顯不同，”Nap 說(shuō)。

使用更環(huán)保的電網(wǎng)會(huì)更好地實(shí)現(xiàn)電氣化嗎？米特拉說(shuō)，綠色能源的采用在很大程度上是由環(huán)境因素推動(dòng)的，目前有許多綠色能源——主要是太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力——正在為能源市場(chǎng)做出貢獻(xiàn)。

他還指出，綠色能源的數(shù)字化管理至關(guān)重要。最大的挑戰(zhàn)是認(rèn)識(shí)到這些能源中的每一種都有自己的發(fā)電概況。

“風(fēng)不是一天 24 小時(shí)都在吹，陽(yáng)光也不是一天 24 小時(shí)都在照耀著，將這一發(fā)電配置文件與電網(wǎng)需求配置文件相匹配始終是一個(gè)挑戰(zhàn)，”Mitra 說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)，為了在區(qū)域?qū)用婊虺鞘袑用孀龅竭@一點(diǎn)，電力生產(chǎn)商和能源分銷商利用數(shù)字電力管理工具?！爱?dāng)我們看到這種從化石燃料到綠色能源的能源轉(zhuǎn)變時(shí)，我們管理綠色能源的方式以及我們消費(fèi)它的方式將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變?！?/p>

Manack 很好地總結(jié)了小組討論，他說(shuō)：“世界瞬息萬(wàn)變，看到道路上電動(dòng)汽車的數(shù)量以及太陽(yáng)能電池板和風(fēng)車的數(shù)量，事情發(fā)生的變化之快真是令人驚訝。即使回顧十年，這就像在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了一個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。我們將繼續(xù)努力解決行業(yè)中關(guān)于效率、成本和速度的這些關(guān)鍵問(wèn)題。我們都將發(fā)揮關(guān)鍵作用，讓電氣化繼續(xù)普及，讓世界變得更清潔、更環(huán)保，因此這將是一段激動(dòng)人心的旅程?！?br />
審核編輯 黃昊宇