下一代电动汽车需要电池与动力传动的创新

在最近的2023年先进车用技术论坛(Advanced Automotive Technology Forum 2023)中，业界专家讨论下一代电动车(EV)所需的电池与动力传动(powertrain)创新，以及实现创新所面临的挑战。

一款纯电动车。

(来源：美国能源部)

虽然电动车已经存在十多年，但其采用率仍在成长，需要一段时间才能实现大量的市占率。根据Powerbox营销暨首席客户官Patrick Le Fèvre在投影片中所呈现，去年全球约有8,060万辆新车销售，其中不到10% (780万辆)是电动车。

与此同时，汽车销售量与道路上的车辆数量也在成长。根据Powerbox在投影片中所呈现，若目前全球约有16亿辆车辆，到2035年，这个数字将成长到近20亿辆。在欧盟，2035年将禁止销售内燃机汽车。因此，到那时，大多数汽车制造商将推出全面的电动车产品阵容。

世界上的车辆数量众多，而且还在增加。

(来源：Powerbox)

电动车采用率相对缓慢的原因有很多，也许加速其普及的最佳方式是让电动车在整体上更有吸引力。有几种方法可以做到这一点，但需要有更多的创新。

例如，电池与电力电子学是其中的主要挑战。具体而言，由于电动车需要比传统汽车多高达20倍的电力，因此在建构节能的电力转换方案、电力系统开发与电池技术方面，是电力专家所需面对的挑战。

转换器与逆变器需要改进

现今，大多数油电混合动力车/插电式油电混合动力车(HEV/PHEV)，以及电动车都是以硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成转换器与直流交流逆变器。根据Onsemi汽车动力方案经理Pietro Scalia在投影片中所呈现，这些组件在许多情况下不够精密，效率也不够高，但价格便宜，因为它们已经存在几十年的时间。

目前，IGBT对于多数市场应用可能已经够好。但是，随着车厂专注于电池供电的电动车(或纯电动车，BEV)，HEV/PHEV市场将会减少，因此更高性能的转换器与逆变器将变得更加普及，因为电动车往往搭载高性能动力马达.

此外，根据Onsemi在投影片中所呈现，尽管轿车与跨界电动车仍将是最受欢迎且市场份额最高的车型，但在2025年之后，SUV、卡车与跑车的需求将会增加，这将增加对高于250kW电动驱动的需求，进而推动更高性能、更高效率与更小的转换器与逆变器的需求。

电动车、HEV与PHEV市场趋势，以及功率等级区分。

(来源：Onsemi)

打造出小型且高效的电力转换方案需要使用宽能隙(WBG)半导体材料，例如氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)。相对于硅，它们提供更高的功率密度(高电子迁移率与击穿电压可以打造出更小更轻的电源供应器)；高效率(功率损耗更小、温度更低，而能降低冷却要求与降低成本)；快速转换速度(提高功率转换效率并降低电磁干扰)，以及宽温范围(提高可靠性与耐久性)。

虽然GaN与SiC在功率转换应用中具有明显的优势，但在所有应用案例中并不可互换，而选择两者间是取决于特定的需求。例如，GaN具有更高的电子迁移率与达到更高的功率密度，因此更适合在车辆与充电器的应用。

EPC CEO暨联合创办人Alex Lidow提到，事实上，像光达(LiDAR)、娱乐系统与头灯等车载电子产品中使用GaN已有增加趋势，将来会持续增加。此外，一些动力马达目前也使用GaN转换器。

他表示：“目前，若你的汽车上有LiDAR系统，不管它是自驾还是只是Level 2或Level 3，都是用GaN组件。我们在头灯中使用GaN已经将近10年了，还有娱乐系统、无线充电(不只在车内)、所有高端的设备，如增强现实(AR)显示器。这些都是GaN的应用。就像太阳每天早上升起一样，GaN将取代硅，取代所有电压范围48V内的组件。未来我们还要看看它是否会朝动力马达与车载充电方面发展。”

GaN在车辆中的应用。

(来源：EPC)

另一方面，SiC可以承受更高的电压并提供更好的热性能，因此适合高功率与高温度的应用，例如电动车中的牵引逆变器。此外，SiC技术更成熟，有时应用的成本更低，一些SiC逆变器的价格可能比IGBT的逆变器更便宜。

Onsemi的Scalia表示：“寻找性能与材料成本之间的最佳点很重要。我发现250kW是一个最佳点，在这个点上，可以轻松地证明在面积方面，考虑到其他所需放置散热的部分，用SiC比IGBT更便宜，可以获得更节省成本的方案。”

更不用提到，随着效率的提升，组件的微型化与重量的降低，进而能让我们制造出更舒适的车辆，具有更长行驶里程或制造价格更实惠，且具有足够行驶里程能力的车辆。随着创新封装技术为具有合适马达的低成本电动车开启了新页，也凸显了SiC MOSFET的成本效益。

“Qorvo策略的一部分[正在解决]是即将到来低功率车的爆发性成长，”Qorvo电力设备主管Anup Bhalla提到。

他补充，“想要建构电动车牵引逆变器并使（EV）技术更容易获得的人们，可从解决方案中降低成本，”的需求一直都存在。

在逆变器或转换器成本、效率和可靠性之间找到适当的平衡，是SiC和GaN组件，以及电动车制造商在制造新汽车、转换器或逆变器时，必须解决的挑战。

“当我们与客户一起解决逆变器设计问题时，他们会反复讨论如何获取最大利益，[因为]他们希望获得的效率与他们愿意支付的成本之间经常存在紧张关系，”Bhalla 说。“这种成本总是与试图变得太便宜后，反而对可靠性的影响有关。这种成本通常与尝试以便宜的方式来提高可靠性之间有所关联。最终这个系统须非常稳定。每个人都有自己的想法，该如何打造逆变器来显示自己的优势。”

SiC 组件可应用于电动车与其他用途。

(来源：Qorvo)

Bhalla展示了一个小型的双侧冷却150kW (12Ω/1200V)逆变器，由三个SiC MOSFET所构成。组件采用顶部冷却离散式封装(discrete package)，以及另一种可用于此类应用的逆变器方案，其中包含顶部冷却SiC MOSFET。

“人们将需要设计不同的牵引逆变器，可能是围绕马达设计，需要不同的外形尺寸，”Bhalla说。“然后他们需要不同种类的封装解决方案。很棒的是，这些装置变得如此高效，我们可以考虑将它们放入顶部冷却的封装中，以散发适量的热量，然后用它建构牵引逆变器。”

Onsemi的幻灯片声称，由于与基于IGBT的解决方案相比效率更高，因此使用其EliteSiC动力系统可将续航里程扩大8~12%。此外，对于高效能逆变器，SiC是首选，原因有很多，因此其采用率将会成长。

800V总线与48V系统可为助力

更小、更轻、更高效的GaN和SiC转换器和逆变器，并非是唯一能让电动车更简单、更便宜、更宽敞、更舒适的手段。在电动车中使用800V的总线而不是400V的总线能带来许多好处，包括更快的充电速度，由于电气组件的重量减轻而所增加续航能力，以及更高的功率输出带来更好的性能。

此外，800V的电力总线可以让再生制动期间更有效地回收能量。根据Scalia所言，这就是为何800V组件的销售可望以每年63%的年复合成长率(CAGR)成长，而400V则为16%。

“在汽车产业已经度过了34年，我所知道的是车辆的空间不足以容纳所有需要放入其中的东西，”Vicor汽车市场总监Greg Green说，“因此，有效利用空间对我们的OEM客户非常重要。能够将2.5kW的功率从400V或800V （总线）转换为‘手中’的12V对他们来说很重要，因为他们设法将整车拉在一起。”

电动车的电力传输网络和Vicor的总线转换器。

(来源：Vicor)

关于汽车中的12V系统，随着现代汽车的电子化程度提高，传统的12V系统已经无法应对目前车辆所需的各种电子装置，因此需要更先进的48V系统。从电线到逆变器，一切都变得笨重、体积过大、发热且昂贵。

EPC的Lidow表示：“随着汽车电子设备的增加，无论是用于电动车还是ICE车辆，电子设备越来越大，所以正转向48V系统。”

Lidow补充，对于拥有48V系统的现代汽车，使用GaN与SiC逆变器与转换器非常合理。由于GaN的切换速度更快，可以让我们建造更高频率(例如200Hz、500Hz)、更小、更轻、更高效的系统。事实上，一些GaN的转换器比硅MOSFET所对应产品体积要小50%、能节能40% (更低温)，并且成本降低10~15%，很大程度上是因为这些转换器不再需要水冷却。与此同时，SiC也具有类似的优点。

“我们见到汽车48V系统运作频率达到500kHz及以上，随着频率的升高，一切都在缩小，当然，尺寸与重量非常重要，”Lidow说。“例如，我们有一个项目，其中GaN的4kW电子系统转换器的尺寸只有（类似）硅MOSFET的系统一半大小。这是透过提高频率所实现，这意味较少的相位，也代表这电感器更小，阻抗更小。”

在电动车中实现800V总线比400V总线更昂贵，因为电线、连接器与设计用于处理更高电压与电流的逆变器的成本较高；需要额外的安全方式来保护免受高电压危险；需要在电池与系统架构方面进行更高的研发投资；与400V总线零组件相比，800V总线较低的产量导致更高的单位成本，但 800V总线的好处是有形的，因此根据Vicor的预期，它的采用率将会增加，并且零件成本可能会下降。

“BEV的特点是效率很重要，因为每一个不用于动力的电子组件会减少行驶里程。”Green表示。“因此，所有的信息娱乐系统、自动驾驶系统与整体电力转换系统都应尽具有高效性能。因为电池里的电子有限。”

除了成本较高的组件之外，汽车制造商采用与400V充电站兼容的800V电源总线还有另一个障碍。这对专注在GaN与SiC方案的公司而言，代表了一个机会，因为他们不仅需要建构这些功率转换方案，还须尽可能地提高其可靠性并管理其热效应。

“即使有800V的电池，可能仍需要在充电时运作400V负载，”Green提到。“因此，我们看到OEM将他们的800V电池区分为两个400V的电池，这样充电时，可以运作400V的负载，同时充电一半的电池，并能切换回去。我们可以在约5.5公升的空间中将150kW的功率，从800V转换为400V。这有助于OEM管理车辆内部的空间。但即使在150kW时的效率达到99%，仍然需要处理大量的热量。因此，注重热管理并能够确保在充电电池时可以为冷却系统提供电源对也非常重要。”

电池为重中之重

电池技术仍然是电动车的关键要素。不同国家在电池研究上投入了数十亿美元，因为需要轻巧且容量大的电池以扩展电动车的行驶里程，而电池的安全性、成本与易用性是推动电动车普及的重要因素。

“电池制造商希望有更高的功率密度、轻量化，”Powerbox的Le Fèvre说。“每个人都试着在核心机构中节省重量，但这比从传统硅转向宽能隙更加复杂。电池没有太多的发挥空间，而且上市时间非常长。”

BYD电动车电池。

(来源：BYD)

Le Fèvre指出，政府对电池寿命与完整供应链，从原材料到报废的全程追踪施加的压力越来越大。例如，欧洲与美国正在推动数字产品护照计划，目标在使用RFID或条形码从稀土元素(rare earth)金属开始追踪电池的生命周期直至报废。

“在电池的使用寿命以及公司从原材料到报废的完整供应链方面，政府也对我们施加了很大压力，”Le Fèvre说。“在美国与欧洲有一个持续的过程，称为数字产品护照，将透过条形码或RFID为电池配备编码，（让）不同的洲政府与回收厂商能够（查看）完整的链路。”

此外，除了电池性能、可靠性与成本外，稳定的供应链也非常重要。这对该产业来说是另一个挑战，因为它牵涉到地缘政治。

BYD的一款电动车概念车。

(来源：BYD)

目前大部分的电动车电池都是锂离子(Li-ion)电池。虽然澳洲是世界上最大的锂生产国，其次是智利与阿根廷，但中国是全球最大的锂电池制造商，占全球生产的80%以上。

日本Panasonic与韩国LG Chem也是主要供货商之一，但随着电动车的普及，中国在供应链中的地位也将提升。

就像欧洲的汽车制造商与政府希望汽车芯片供货商实现当地制造一样，他们可能最终也希望实现电池在当地生产。然而，由于俄乌战争与美国与中国之间的紧张关系，这不是一件容易的事情。

“由于乌克兰与俄罗斯的不幸局势，我们在欧洲看到的是讨论如何确保供应链与如何确保我们在欧洲进行制造，”Le Fèvre说。“我猜美国与日本也同样重视这个议题，并在瑞典，当地的Northvolt正在扩大产线，并将与波兰公司签署协议。”

学生对未来电动车发展至关重要

近年来，许多新的电动车技术已被开发，但仍有更多待开发的技术，因此新的人才对电动车产业至关重要。因此，这个领域为学生提供了众多的机会。如Lidow所言，现今电源设计，以及GaN与SiC技术整合了多个学科，例如电磁学、流体电力学、热管理与数字电子学。

特斯拉Model S车款。

(来源：特斯拉)

这种多学科的方法为学生提供了一个发展综合技能的机会，让他们在宽能隙材料、零件设计、封装挑战、热力学、流体电力学与电子学方面都能表现出色。“我需在此强调多学科——我们有工程师，须涉及热力学、流体电力学、封装，最终当然还有电子学，”Scalia说。

显然，发展强大基础工程解决问题的技能，对于在这个快速发展的领域中取得成功至关重要。

Green表示：“拥有良好的技术基础很重要，但同时也要具备灵活性，因为你真的不知道路会通往何方。但如果你具备良好解决工程问题的技能，你就会做得很好。”

(参考原文：Next-Gen EVs Need Battery and Powertrain Innovations，by Anton Shilov)

本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志2023年6月刊