Elfordon blir nu populära på grund av deras miljövänliga egenskaper när det gäller kvalitet, funktionell enkelhet och energieffektivitet. Den funktionella drivkraften drivs av en elmotor, som har en enkel struktur jämfört med en förbränningsmotor. När det gäller energieffektivitet är jämförelsen mellan förbränningsbilar och elfordon symbolisk: förbränningsbilar har en energieffektivitet på 16 procent, medan elfordon har en energieffektivitet på 85 procent . Den elektriska karaktären hos framdrivning har en fördel framför den natur som bygger på förbränning - förnybar energi.
Elektricitet erbjuder mycket flexibilitet, inklusive användningen av olika former av energiskörd som hjälper till att ladda batteriet, vilket förlänger fordonets drifttid. Därför är energiskördsteknik en möjlighet för forskning och utveckling av elfordonslösningar.
Elfordons autonomi återspeglar direkt effektiviteten hos deras drivlina och energiledningssystem. Dessutom behövs den nödvändiga infrastrukturen, såsom kraftfulla snabbladdningssystem som nu når hundratals kilowatt, för att följa strikta förinställda storleks- och effektivitetsgränser. Genom sina specifika fysikaliska egenskaper kan kiselkarbid (SiC) effektivt svara på dessa nya marknadsbehov.
Bland hybrid- och elfordon är de ledande elektroniska kraftsystemen DC/DC boost-omvandlare och DC/AC-växelriktare. Elektroniska system utvecklade för elfordon sträcker sig från temperatur-, ström- och spänningssensorer till halvledare baserade på SiC och galliumnitrid (GaN).
Kiselkarbid är kraftfull
Idag har autonomi och långa laddningstider blivit viktiga hinder för införandet av elfordon. För snabbladdning krävs mer kraft för att ladda på kortare tid. På grund av det begränsade utrymmet i bilen måste batteriladdningssystem ge hög effekttäthet. Först då kommer det att vara möjligt att integrera dessa system i fordonet.
I mitten av alla elfordon (EV) eller plug-in hybridfordon (HEV) kan vi hitta högspänningsbatterier (200 till 450 VDC) och deras laddningssystem. Inbyggda laddare (OBC) ger ett sätt att ladda batterier från växelström i ditt hem eller vid en offentlig eller privat laddstation. Från 3,6 kW trefas högeffektomvandlare till 22 kW enfas, måste dagens OBC:er ha högsta möjliga effektivitet och tillförlitlighet för att säkerställa snabb laddning och uppfylla begränsade utrymmes- och viktkrav.
Alla snabbladdningssystem kräver en kompakt och effektiv laddstation, och nuvarande SiC-kraftmoduler möjliggör skapandet av system med den effekttäthet och effektivitet som krävs. För att uppnå ambitiösa mål avseende effekttäthet och systemeffektivitet måste SiC-transistorer och -dioder användas.
Den utmärkta elektriska fältstyrkan hos SiC-substrat med hög hårdhet tillåter användning av tunnare substrat. Jämfört med kiselepitaxialskiktet kan detta nå en tiondel av tjockleken. Trenden inom batterier är att öka kapaciteten, och denna funktion är förknippad med kortare laddningstider. Detta kräver i sin tur en OBC med hög effekt och verkningsgrad, som 11 kW och 22 kW.
Med introduktionen av SCT3xHR-serien erbjuder ROHM nu den bredaste produktlinjen inom det AEC-Q101-kvalificerade SiC MOSFET-området, vilket garanterar den höga tillförlitligheten som krävs för inbyggda laddare och DC/DC-omvandlare för fordonstillämpningar (Figur 1). STMicroelectronics har också ett brett utbud av AEC-Q101-kompatibla MOSFET-enheter, kisel- och kiselkarbiddioder (SiC) och 32-bitar SPC5-mikrokontroller för fordon som tillhandahåller skalbara, kostnadseffektiva och energieffektiva lösningar för implementering av dessa krävande omvandlare (Figur 2).
Fordon till nätet
Miljontals batteridrivna elfordon förväntas dyka upp på vägarna under det kommande decenniet, vilket utgör en enorm utmaning för nätet. I takt med att produktionen av icke-programmerbara förnybara resurser ökar, ökar också behovet av balanserade nätverk.
När bilbatterier är anslutna till nätverket via väggboxar för hemladdning eller företags- eller offentliga laddstationer, blir deras intelligenta hantering extremt attraktiv. Inbyggda batterier kan användas för att driva nätverket samt dra ström, beroende på det omedelbara behovet av att absorbera ström.
Systemet använder en fjärrkontroll för att återföra energi som ackumulerats i fordonet eller återvinning via nätverket (till batteriet). Nyckeltekniken för att implementera detta system är en dubbelriktad strömriktare som är kopplad direkt till högspänningsbatteriet (300 till 500 volt) på den automatiska sidan och på lågspänningsnätverkets sida (Figur 3).
Vehicle-to-grid-teknik (V2G) har potential att göra nätet mer balanserat och effektivt. När efterfrågan på el ökar är det avgörande att balansera utbud och efterfrågan.
Trådlös laddning
Tack vare laddpunkter placerade i garage eller allmänna parkeringsplatser är ett spännande område trådlös laddning av elfordon. Laddpunkten behöver inte nödvändigtvis vara exakt i linje med mottagaren under bilen. På lång sikt kommer ett försök att göras att utveckla en mikrolastande version som kan integrera långa lastskyltar och allmänna vägar för att lasta EV/HEV-fordon även under körning, men detta kommer att bero på antalet svårigheter som uppstår på nationella och lokala administrativa nivåer.
För att V2G-tekniken ska fungera oavbrutet, ge fördelarna med nätverksstabilitet och tillåta fordon att fungera som generatorer och datakällor, måste trådlös laddningsteknik integreras inte bara i själva fordonet utan även i hemmets och stadsinfrastrukturen. Fordonet är laddat. Detta kommer att göra fordonet mycket användbart om det behövs.
Trådlös laddning baserad på magnetisk resonansteknik gör att elfordon, oavsett typ eller storlek, kan laddas automatiskt och säkert genom att placera flexibla spolar på källplattan med material som betong och asfalt. Trådlös kraft kommer att göra det möjligt för fordon att ladda autonomt och implementera V2G-teknik som kontinuerligt exciterar och dämpar utan mänsklig inblandning (Figur 4).
slutsats
Bredbandshalvledarteknik och snabbladdningsstationer som möjliggörs av digitala nätverksmöjligheter kommer att hjälpa till att påskynda införandet av elfordon. I takt med att den globala efterfrågan på elfordon ökar, ökar också behovet av att stödja laddningsinfrastruktur. Innovativ laddningsteknik för elfordon kan vara en katalysator för förändring, bidra till att främja introduktionen av elfordon och bidra mycket till målet att minska koldioxidutsläppen.
Elfordons kraftelektronik är berikad med SiC-kraftenheter för att möta behoven av förbättringar: systemets energieffektivitet; styrkan och effekttätheten hos elfordon; och högeffektapplikationer som kräver hög spänning och effekt – vilket ger ett viktigt bidrag till systemets prestanda och långsiktiga tillförlitlighet. SiC MOSFETs och SiC Schottky barriärdioder (SBDs) säkerställer högsta kopplingseffektivitet vid höga frekvenser.