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电力电子技术也是决定电动车里程的一个关键因素。因此,采埃孚开发出新一代极为高效的碳化硅制作功率半导体器件。查找关于这种电动交通用重要系统组件的更多信息。
Johannes Winterhagen, 十一月 21, 2018
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Johannes Winterhagen 当事情变得真的很复杂的时候,这位负责能源和交通题材的记者却干得得心应手。他喜欢在实验室里采访工程师。
只需轻踩油门,车辆就能从静止快速推进。很多司机第一次驾驶电动车的时候,都对一台电动车如此强劲而感到吃惊且兴奋。汽车工程师对此则更为冷静。毕竟,他们知道一台内燃机需要的油料需要先泵入喷油嘴,然后在高压下进入发动机气缸。

而在电动车里,电池就是油箱。它所存储的能量或动力的来源由电子组成,这是一种几乎没有重量的基本粒子,可以根据爱因斯坦的相对论以光速运动。尽管在现实中,线路内部的阻力一定程度上延缓了能量,但仍然比液体或气体燃料运动快得多。这种区别解释了为何电动机可以在几分之一秒内达到所需的速度。只要电压恒定,所生成的机械能就仅取决于在电机的绕组里产生了多少电子。

电力电子设备控制电流

电力电子设备控制电流

在现实中这意味着什么?电流必须准确控制,从而使电机功率适应驾驶工况。即使是电动车也需要一种喷射系统,在这种情况下,是由连接到电机的电力电子设备进行处理的。除此之外,电力电子设备还有另一项重要工作。车辆电池是一种锂离子电池,可以专门发射并接收直流电流。但是,汽车里的现代电驱动器总是使用交流电,其产生是通过电力电子设备进行控制的。如果车辆制动器和电机用作发电机,所生成的交流电在存储进电池之前必须整流。“因为在日常使用时,电力电子设备中的能量持续在两个方向上发生,电力电子设备的效率对于决定电动车在一次充电后可以行驶多远是决定性的”, Marco Denk 博士解释说。他在采埃孚负责能源转换器先进工程,如采埃孚在巴伐利亚州奥尔巴哈开发的系统,该系统早已在 WLTP 循环中实现了超过 95% 的效率水平。

电力电子半导体:电动机的喷油嘴

电力电子半导体:电动机的喷油嘴

在电力电子设备中,半导体器件是决定效率水平的重要组件。与喷油嘴通过开合控制油量类似,这些半导体器件在空闲状态下组织电子的路径。根据其设计,半导体器件通过在路径上生成电压或生成电场来清理路径。这些流程也可以组合起来。这种场景涉及一个绝缘栅双极晶体管,或简称 IGBT。如今,所有部署在电动车里的电力半导体都有一个共同之处:它们以纯硅为基础。这样有众多好处,包括这样的事实,即硅晶体可以使用与计算机芯片相同的流程制造并深加工。
带碳化硅基芯片的电力电子设备与硅基电力电子设备电池性能相同,但电动车的里程要大 5-10%。

廉价的硅的缺点

廉价的硅的缺点

硅半导体的反向电压,换言之,电子管需要承受的压力,几乎完全取决于其厚度。其含义是,随着电压的提高,硅半导体的尺寸也随之提高,从而降低了车辆运行时的效率水平。“虽然目前所有电动车里的电机都在 400 伏特下工作,2019 年市场上将会发布第一批用 800 伏特驱动器的车辆。电压翻倍的原因不是因为驱动优势,而是这种增长将相关的充电时间降低了一半”,Denk 解释说。在不远的将来,只需充电 15 到 20 分钟即可足以行驶 400 公里。

新型半导体材料带来效率提升

新型半导体材料带来效率提升

考虑到这一点,采埃孚一直在致力于新一代电力电子技术。它以碳化硅制作的电源半导体为基础。在这种材料里,每个硅院子都连接四个碳原子,反之亦然。“硅结构与钻石的结构类似”,Marco Denk 解释说,补充道:“碳原子不仅比旁边的硅原子小,而且自由电子彼此结合得更紧密。”这种更坚固的材料在网状结构撕裂前,场强高十倍,可以生成高达每厘米三兆伏的电压。
“这种新的半导体不需要改变电池尺寸,但里程增加 5-10%。”
— Marco Denk 博士,电力电子技术先进开发负责人

碳化硅芯片使里程增大

碳化硅芯片使里程增大

在实务上,这意味着可以用十分之一厚度的芯片处理相同的电压。对于 800 伏特的驱动器,半导体厚度约 100 毫米即足够。设计高度的降低还意味着内部电阻更低。相应地,在到达引擎过程中电子损失更少,从而提高了效率。驾驶员们也注意到这种进步,尽管他们并不理解半导体物理学,因为:“这种新的半导体不需要改变电池尺寸,但里程增加 5-10%”,Denk 解释说。他和同事们仍然在致力于新型半导体材料的量产。但是,在接下来的五年左右时间里,采埃孚计划提供第一款具有用碳化硅制作的半导体的电力电子系统。

简述: 对于电动车里程,电池容量不是仅有的决定性因素,还有电力电子设备的效率。这是因为它需要负责所有的能源管理。如今的电力电子器件包含用纯硅制作的半导体。尽管它们的效率已经很高,在设计高度和内阻上仍然有不足。驱动电机的电压越高,这种不足越明显。因此,采埃孚正致力于基于碳化硅的电力电子系统。这种材料减轻了上述不足,不许改变电池尺寸即可使路上的里程增加百分之五到十。