电动出行(E-Mobility)的未来在于智能化和宽禁带功率器件

一个复杂的系统设计必须始终考虑多种因素的约束，如技术、工艺、环境以及法规。除此之外，如今还有一个不容忽视的因素，即对环境的重视。因此，新兴技术都在寻求满足这一要求的解决方案，致力于提升能源效率、减少能源浪费和提高系统良率。

电动出行

交通出行越来越多地涉及精心计划，旨在减少二氧化碳排放并减少对环境的影响。其实施涉及电动马达领域，并因此涉及到电力电子。通过混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）和全电动车（EV）等方式，电动出行（E-Mobility）实施可持续发展的交通解决方案已有多年了。这些车辆现已成为工程学的杰作，车辆中的电子（数字和电源）、机械和IT部分共同协作，最大程度地减少了未燃烧气体的排放，使HEV和PHEV车辆的两个发动机保持同步，并通过正确管理EV中蓄电池的充放电优化了能耗。

现在的制造商几乎都能适应电动世界的生产，甚至奥迪、梅赛德斯-奔驰或宝马这些历史悠久的汽车厂商（主要依赖于汽油和柴油发动机）也已将其首批高性能电动汽车投放市场。市场本身也开始显露出转变的最初迹象：这一趋势正在持续增长，用于公共交通和商品运输的电动汽车数量已达到约600万辆，到2030年，预计将达到1.6亿辆。迄今为止，中国仍是这个市场的主要驱动力，约占整个电动汽车市场总量的三分之一。在立法层面，欧洲和美国已经公开表示出减少温室气体排放的意愿，这将有益于新型电动、混合动力汽车以及可再生能源交通的发展。

电动出行中的电力电子

电力牵引涉及多种电子设备。在高科技交通方式中，创新的安全装置至关重要：多种智能传感器能够检测和处理障碍物相关数据、保持预设速度并与前方车辆保持恒定距离（ACC –自适应巡航控制）、在超车时检测死角、保持在车道内（LKAS –车道保持辅助系统），或在必要时自动制动刹车（BAS –制动辅助系统）。

而驱动方面，车载功率设备中的电源逆变器和BMS（电池管理系统）发挥着较为重要的作用，设计师和工程师正在不断研究以改进。BMS必须能够管理大功率，精确控制电池组的温度和电流，同时要控制好再生性制动器的充电。要完善整个设计框架还需要一种非板载设备，即EVSE（电动车充电设备）或充电模块，它可以将电网中的电力传输给车辆。

EVSE和智能充电

EVSE是更为复杂的基础架构的一部分，将来会插入智能配电网络（即智能电网）中，以实现“插入”设备（实际上包括EV和PHEV）的充电。EVSE主要包括：带通信接口的微处理器；以及功率单元（产生车辆充电所需的能量）。为实现更大的行驶自主性，电动车需要容量更大的蓄电池，而EVSE必须保证可接受的充电时间。

这就导致了更高的电源供应需求，进而要求设计和制造可管理极高电流的充电设备，这会涉及很多问题，如足够的散热、专门用于连接器的绝缘材料、导电率极高的电缆等。我们这里谈论的电流范围从家用EVSE的16安培，到125安培的系统，甚至还有能够提供高达350安直流电的先进充电站。

从车辆到电网

直到十年以前，大多数充电站还不是智能充电型的，因为那时的充电控制协议基于模拟电路，相对于多样性的应用类型还不能灵活应对。随着时间的推移，EVSE的需求变得越来越复杂，以至于人们决定将实际的充电模块与数字控制模块（供电设备通信控制器或SECC）结合起来，从而实现多种功能并满足电动汽车制造商的需求，以创建一个真正的派生服务生态系统。

执行该项任务的标准和协议集被称为V2G（车辆到电网），并在ISO15118（及其衍生版本）中进行了说明，它定义了控制消息以及所传输电能的双向通信。实际上，从这个意义上讲，电力可以从网络传输到车辆，反之亦然，也可以从EV传输到网络。

这样可以优化电池组中积存的电荷，还可以重新利用蓄电池中的能量并将其反馈回网络中。车辆的90%时间都处于停放状态，这意味着这时汽车积存的电能未被使用。V2G提出的构想是利用这些累积的电能来应对能源需求的高峰。此外，V2G还可以与风能或光伏系统等可再生和非连续能量转换点良好集成，如果某个特定时刻系统能量不足时，网络可以自主决定使用电动车电池来缓冲任何能量需求，而在能量过剩的情况下，额外的能量可以用来为车辆充电。

V2G协议的消息传递还提供许多其它服务，包括自动车辆识别、连接到电网的用户授权，以及根据使用时段和所需充电功率的不同而区别收费的费率规则。EV和EVSE之间的物理通信通道可以为有线（电力线通信）或无线（WLAN）。

适于智能充电的宽禁带器件

毫无疑问，工程师们所面临的挑战之一是EVSE所使用的功率器件。它对电流的需求过高，传统功率器件虽然能够支持，但可能会出现一些额外的问题，导致设备成本增加，从而降低产品的可扩展性和普及。例如，大功率导致的散热问题需要专门设计合适尺寸的散热器，这使得系统成本更高、设备笨重且体积庞大。从这一方面来看，技术已经先行一步，WBG（宽禁带）器件就是可行的解决方案之一。

图1：英飞凌的CoolSiC系列产品

例如，英飞凌公司的新型CoolSiC系列产品，通过使用肖特基二极管、SiC MOSFET和SiC模块等一系列器件，可以支持高达1200 V和200 A的高功率，这一切都是专为汽车应用而设计的。罗姆半导体也拥有自己的超高功率WBG器件产品线，例如其MOSFET模块具有100kHz以上的开关频率。

图2:罗姆半导体的碳化硅MOSFET器件

不远的将来

电动出行和WBG器件已经找到了一种相互契合的方式。一方面，EV和EVSE需要具有高功率密度、高性能和小尺寸的新型功率器件。另一方面，WBG也正在寻求合适的契机大规模渗透市场。

责编：Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅