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即將爆發(fā)?汽車無線充電效率達97%,SiC竟如此關(guān)鍵!

發(fā)布時間:2022-03-17作者來源:薩科微瀏覽:2247

最近,美國一家機構(gòu)宣布,他們研發(fā)了效率高達97%的無線充電方案,效率比有線方案還高,汽車有望15分鐘就充滿電。而其中的關(guān)鍵就包括采用了全SiC模塊,以及使用創(chuàng)新的封裝技術(shù)和材料。

早前,寶馬、奔馳、保時捷已推出相關(guān)車型,豐田、現(xiàn)代、比亞迪等眾多車企也都有相關(guān)研發(fā),但無線充電進展較慢。這項技術(shù)的出現(xiàn)能否帶來革命性變化?能否加速汽車無線充電的商業(yè)化進程?


效率高達97%

15分鐘充滿電?

5月18日,美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)在其官網(wǎng)發(fā)布消息稱,他們已成功演示了120kW無線充電系統(tǒng),效率高達97%。

據(jù)介紹,該項目早在2013年就開始了,由ORNL牽頭,并與豐田汽車、Evatran、克萊姆森大學(xué)、思科、杜克能源公司和國際整流器等進行合作,同時得到了美國能源部1900萬美元(約1.2億人民幣)的支持。

2016年3月,ORNL首次在豐田RAV4上展示了20kW的無線充電系統(tǒng),其充電效率高達90%;2018年10月,ORNL展示了一種120kW的車輛無線充電系統(tǒng),效率高達97%,是以前ORNL 技術(shù)的6倍。


為了推進美國能源部的極快充電目標(biāo),接下來他們將開發(fā)270kW,甚至350-400kW的系統(tǒng),電動汽車的充電時間有望縮短至15分鐘以內(nèi),比有線充電方案還快,以保時捷Taycan為例,采用270 kW帶線充電方式,從5%充到88%需要22分鐘。

除了定點無線充外,ORNL還將開發(fā)動態(tài)無線充電系統(tǒng),使汽車在專門配備的道路上行駛時能夠自動通電,從而能夠降低電網(wǎng)的負(fù)荷。

SiC效率高達98%

封裝、材料大不同

SiC逆變器是ORNL無線充技術(shù)實現(xiàn)高效率的關(guān)鍵。

ORNL在2014年發(fā)表的論文中提到,由于無線功率傳輸系統(tǒng)有5、6個電源轉(zhuǎn)換級,因此轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要,每級都需要盡可能高效,“在這種情況下,SiC逆變器至關(guān)重要”——它們可以進行高頻操作,可以在相對較高的溫度下運行,從而降低了冷卻組件的成本和尺寸。

該無線充采用的是全SiC功率模塊,從芯片和互連布局可以看到,該模塊包括4顆SiC MOSFET和4顆SiC二極管管芯。

同時,為了實現(xiàn)安全可靠的250°C操作,該模塊還采用了專門的封裝技術(shù)和材料。其封裝采用了高溫引線鍵合結(jié)構(gòu),電氣互連是通過將鋁線接合在芯片頂部,并將芯片焊接在DBC基板的銅跡線上來實現(xiàn)的。通過這樣做,大約減少了30%的寄生電感。為了進一步減輕功率模塊的重量,模塊也沒有采用模制塑料。

他們采用堅固的焊接層來替代塑料外殼的機械支撐,焊接層材料選擇了80%Au-20%Sn,因為它可以承受30 MPa的應(yīng)力,并且熔化溫度最合適。

事實證明,ORNL開發(fā)的SiC逆變器在每個開關(guān)頻率(22kHz、48kHz、85kHz和142kHz)下的效率達到98%左右。

從2014年以來,碳化硅模塊的效率都非常優(yōu)秀,但無線充電系統(tǒng)的整體效率卻不到92%。因此,為了提高系統(tǒng)整體效率,ORNL還開發(fā)了獨特的多相磁線圈。

這種線圈耦合設(shè)計包含一個三相系統(tǒng),該系統(tǒng)在線圈層之間具有旋轉(zhuǎn)磁場,好處是可以在更小的線圈中實現(xiàn)更高的功率密度——即使充電功率高達300 kW,其占地面積也比其他無線充電技術(shù)小得多。

另外,ORNL還采用納米晶體材料和鋁,創(chuàng)造出一種新型磁性金屬混合屏蔽技術(shù)。

寶馬、奔馳、中興在推

無線充電商業(yè)化加速?

其他企業(yè)在無線充電效率方面也有不俗的表現(xiàn),中興新能源汽車有限公司已經(jīng)將充電效率從原來的低于90%提高到93%左右。美國WiTricity的無線充電系統(tǒng)Drive 11效率為90%~93%。

2018年,寶馬率先發(fā)布了業(yè)內(nèi)[敏感詞]款無線充電混動車型BMW 530e,搭載了3.3kW的無線充電系統(tǒng)。此后,梅賽德斯-奔馳的S級插電式混合動力車也開發(fā)了無線充電版本。

據(jù)介紹,Evatran公司也在為特斯拉Model S、寶馬I3、日產(chǎn)LEAF、雪佛蘭volt等車型提供無線充電技術(shù)支持。

國內(nèi)方面,目前從事電動汽車無線充電的企業(yè)有華為、中興新能源、中惠創(chuàng)智等公司和科研院校。上汽榮威、比亞迪、北汽新能源等主流車企也都對電動汽車無線充電系統(tǒng)進行了研發(fā)測試,但目前國內(nèi)市場還沒有一款支持無線充電的量產(chǎn)車型。

但北京有感科技有限責(zé)任公司董事長王哲曾表示,在國內(nèi)市場,已有多家國內(nèi)外企業(yè)率先跨入這一領(lǐng)域,電動汽車無線充電的商業(yè)化競爭已拉開序幕。

WiTricity大中華區(qū)總經(jīng)理孫立也曾透露,WiT-ricity與中國幾家企業(yè)進行電動汽車無線充電技術(shù)合作,開展技術(shù)授權(quán)使用,加速電動汽車無線充電的商用化。




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