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让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?

时间:  2020-11-25 18:35   来源:  汽车总站网原创    作者:  编辑部

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碳化硅(SiC)电力电子器件将替代IGBT——这是英飞凌、罗姆等国际知名企业一致观点。

该观点获得了全球电驱动领域普遍认同。中国科学院院士欧阳明高曾表示,在驱动电机方面,碳化硅将取代IGBT。

继中车、比亚迪的碳化硅(SiC)器件发布后,2020年11月18日,新能源汽车电机电驱动领军企业精进电动正式发布了全新的“高功率车用碳化硅控制器产品”。这标志着我国在电机驱动核心器件领域又向国产化迈进了坚实的一步。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?
精进电动发布“高功率车用碳化硅控制器产品”

更轻更小更高效的碳化硅(SiC)

功率半导体器件生产经历了晶闸管、IGBT和碳化硅(SiC)三代技术,碳化硅(SiC)是目前最先进的技术,将在未来5年内成为行业主流。

SiC是碳化硅的简称,是第三代半导体材料,具有显著优势,与被称为电动汽车CPU的IGBT一样,被广泛应用于家用电器、电动汽车、高铁及城轨交通、航天航空等领域。

在新能源汽车领域,在驱动电机方面,电机控制器价格昂贵,核心器件IGBT大多依靠进口,直至2018年,中国企业研发制造的IGBT占据了约40%市场份额,国内IGBT关键核心器件已被攻克。

IGBT更领先的下一代技术便是碳化硅。

业界第一个采用碳化硅(SiC)的是特斯拉,Model 3的前后电机控制器都使用碳化硅(SiC),著名的电动方程式(Formula-E)赛车中也用到了SiC技术。

相比于IGBT,碳化硅(SiC)是一个更先进的做控制器的电力电子芯片,频率、效率可以做到很高,体积可以非常小。

碳化硅(SiC)器件的工作结温在200℃以上,工作频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些性能都优于传统硅器件;体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5,会降低大约70%-80%,重量可减小到40-60%;还可以提升系统的效率,进一步提高性价比和可靠性。

总之,碳化硅(SiC)损耗更低,更省电;速度更快,频率更高;器件体积更小,更适合做电驱电控一体化。

国内外的企业都已意识到了碳化硅(SiC)的先进性并纷纷布局。从上世纪80年代开始,丰田已经研究布局碳化硅(SiC),比国际同行提前30年。当前全球市场中,科瑞公司、英飞凌、罗姆、意法半导体等企业在此方面优势明显。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?

但成品率低、成本高等问题也是当前碳化硅发展面临的瓶颈。碳化硅(SiC)芯片载流能力低,成本过高,同等级别的SiC MOSFET芯片,其成本是硅基IGBT的8-12倍。

中国的碳化硅(SiC)发展现状

随着我国电动汽车行业的快速发展以及国内电控系统产业链的逐步完善,电控系统的国产化率逐步提高。在新能源汽车中,功率器件是电驱动系统的主要组成部分,对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。目前,新能源汽车电驱动部分主要由硅基功率器件组成。随着电动汽车的发展,对电驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。

以中车、比亚迪、精进电动等为代表的中国新能源汽车电驱动领域技术领先企业,在此方面不遗余力,技术及应用方面已取得初步成效。

1、中车

据了解,面对技术被国外垄断的现状,从2010年起,中车时代电气就开始着手构思SiC芯片,并于2011年与中科院微电子所成立联合研发中心,正式开展碳化硅(SiC)功率半导体器件研究。作为国内轨道交通领域的佼佼者,其研发生产的碳化硅器件广泛应用于轨道交通、新能源汽车等领域。

2013年以后,中车陆续获得国家科技重大专项“02专项”等多项国家重点项目支持,其自主研发的碳化硅功率模块于2016年在轨道交通、光伏逆变器成功进行示范应用。

2017年,中车6英寸碳化硅(SiC)生产线完成技术调试。此次6英寸SiC芯片试制成功是SiC芯片国产化进程的重要一步,也是我国碳化硅(SiC)功率半导体器件产业发展的里程碑。

2017年10月,中车电动牵头承担国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项——“宽禁带半导体电机控制器开发和产业化”项目。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?
中车碳化硅(SiC)模块

历经三年,中车电动联合国内资源,先后攻克3项基础科学难题,突破6大关键技术瓶颈,研发出了碳化硅大功率燃料电池DC/DC变换器,属行业首创。碳化硅功率器件具有“超高频”、“高耐压”、“低导阻”三大优异性能,为氢能汽车燃料电池DC/DC变换器带来革命性的创新。

中车电动研制的氢能汽车燃料电池DC/DC变换器,相比传统基于IGBT模块变换器产品,开关频率提升4倍以上、功率密度提升3倍以上,系统平均效率大于97%,最高效率可达99%。

目前,中车电动获得的400套氢燃料电池系统核心部件订单,正是基于碳化硅(SiC)研制的大功率燃料电池DC/DC变换器。这是国内首个商业化应用的碳化硅(SiC)大功率燃料电池DC/DC变换器。

2、比亚迪

从2005年起,比亚迪就致力于做车用功率器件。一直以来,IGBT这个新能源汽车驱动的“CPU”长期被国外厂商垄断。经过十余年的不懈努力,比亚迪打破了国外技术封锁,成功研发出车规级IGBT4.0产品,稳稳占据了行业标杆地位。

据了解,比亚迪自主研发的IGBT已大批量装车,累计装车超过60万辆,单车行驶里程最长也已突破100万公里。

在攻克了IGBT这一关键核心器后,比亚迪转而研发效率更高的碳化硅(SiC)器件,并宣布将在2023年全方位由碳化硅替代IGBT。

2017年,打破技术垄断,比亚迪微电子团队通过不断设计试验,已自主研发出适合于新能源汽车使用的两款碳化硅功率MOS器件BF930N120SNU(1200V/30A)和BF960N120SNU(1200V/60A),N沟道增强型功率MOSFET,并同步研制开发1200V/200A和1200V/400A全SiC MOS模块。

2020年2月,比亚迪公布了自主研发并制造的高性能碳化硅MOSFET控制模块,并宣布将搭载在新上市的比亚迪汉EV车型上。该碳化硅模块能够降低内阻,增加电控系统的过流能力,大幅提升电机的功率与扭矩。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?
比亚迪汉EV

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?
比亚迪碳化硅(SiC)模块

比亚迪汉EV是国内首款应用自主研发碳化硅(SiC)模块的电动汽车。汉车型有非常强劲的能力,百公里加速3.9秒,扭矩高达600多牛米,最大功率超过300多千瓦。

电动汽车在追求更短的百公里加速时,需要电机全马力高效快速输出,也需要驱动电机有更高的电压平台,要求逆变器内的功率器件能够承受住高压,SiC功率模块的优势就在于此。它能够承受比Si基功率器件更高的电压。比亚迪半导体在SiC模块正面采用铜夹互连工艺,降低寄生电感,提升芯片过电流能力。最终其SiC模块实现了可达200KW的输出功率,提升一倍的功率密度。

这不仅是自主应用第三代半导体材料的开始,更是该材料进入中高端量产车的开端。比亚迪也成为国内第一家大量在汽车上使用碳化硅的企业。但比亚迪的车用功率器件大部分用于自身供给,产品则更适用于乘用车。

3、精进电动

如果说碳化硅在乘用车市场的优势主要体现为性能和效率,在商用车市场的优势则是高效。

从Si材料到碳化硅(SiC)材料,意味着电驱动系统各项效率指标得到全面提升。也就是说,在同等电池配置、同样运行工况下,电动汽车将获得更长的续航里程,以及更低的使用成本。

在2020北京道路交通运输展上,精进电动发布的高功率碳化硅控制器公司多年研发的结晶。精进电动董事长、CEO、总工程师余平在发布会上指出,第三代半导体碳化硅的普及和应用是电驱动系统发展的必然趋势。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?
精进电动高功率碳化硅控制器

随着新能源商用车的快速发展,客车进入了技术升级换代时期,中重卡成为新的增长点。客车、货车是生产工具,经济性远高于消费者市场。精进电动研发的碳化硅控制器,通过先进的设计和出色的电控软件,结合精进的电机和传动技术,可以更充分地发挥碳化硅的效率优势。

精进电动发布的碳化硅控制器系列功率范围在300kW直至近600kW,最高功率可以达到700kW,最高峰值功率密度可以达到50kW/L,国际国内市场上均处于领先地位。

碳化硅控制器可满足ISO26262最高功能安全等级,融入了精进电动应急电源专利技术,可实现车辆在丢失低压电的时候,保证车辆安全下山及自由拖车,满足不同工况的需求。

同时,碳化硅控制器可将电子驻车、油泵控制、电磁阀控制等选配功能集成到单一箱体内,极大减少了连接器和线束,使整车降低约4.8%的能耗,节省空间从而降低成本。

据悉,经过了和德、日、美等顶级供应商一年多的竞争,该碳化硅控制器的定制版,已斩获了大众旗下的商用车集团——TRATON集团的批量定点,将大批量配套TRATON集团在全球市场的客车和重卡,包括德国曼、瑞典斯堪尼亚等知名品牌。产品上市后将连续批量生产多年,成为精进电动历史上最大的单一商用车产品订单。

让新能源汽车电机更小更轻的碳化硅,在中国发展情况怎么样?

电池、电机、电机驱动是新能源汽车的三大核心部件,世界各国都在布局研发,竭力降低三大部件的体积和重量。电机驱动由主回路和控制电路构成,而主回路部分的体积和重量约占总体的85%,而功率器件是主回路的核心。围绕功率器件进一步提高功率密度成为降低电机驱动成本的研发重点。

以美国科瑞公司和日本罗姆公司为首的器件制造厂商现已开发出多种适合新能源汽车的碳化硅开关芯片与二极管芯片,部分芯片已实现产业化。在此方面我国也在积极布局,随着充电桩、新能源汽车的不断普及,碳化硅(SiC)电力电子器件在电源转换、逆变器等应用中已经具备技术和综合成本优势,规模化生产也将促进价格进一步下降。
 

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