Sprechen Sie über das Stromversorgungssystem und den Antriebsmotor von Fahrzeugen mit neuer Energie

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Die Elektrifizierung und Elektrifizierung des Automobilantriebssystems ist der einzige Weg, um CO2-Neutralität im Transportbereich zu erreichen. Als weltweit erstes Automobil-Halbleitertechnologieunternehmen ist Infineon fest davon überzeugt, dass „Null-Emissionen erreicht werden“ und setzt sich dafür ein, die baldige Verwirklichung dieses Ziels voranzutreiben.

Hier bezieht sich „Elektrifizierung“ auf das Hybridantriebssystem, in dem verschiedene Modi traditioneller Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren koexistieren, während sich „Elektrifizierung“ auf das elektrische Antriebssystem bezieht, das die herkömmlichen Verbrennungsmotoren vollständig überflüssig macht.Im Prozess der „Elektrifizierung“ und „Elektrifizierung“ des Automobils sind die Wege, die verschiedene Länder und Regionen sowie verschiedene Automobilhersteller einschlagen, ähnlich, aber alle Wege führen zum gleichen Ziel. Dazu gehören sowohl Mikro-Hybrid-Systeme wie 48V als auch Voll-Hybrid- und Plug-in-Hybrid-Systeme. Es umfasst sowohl reine Elektrofahrzeuge, die Lithium-Ionen-Batterien als Energieträger nutzen, als auch Brennstoffzellenfahrzeuge, die Wasserstoff als Energieträger nutzen.

Wie wir alle wissen, kann ein System in fünf Teile abstrahiert werden: Wahrnehmung, Berechnung, Ausführung, Kommunikation und Stromversorgung.In diesem Artikel werden in diesen fünf Teilen einige persönliche Ansichten und Gedanken zu den beiden Themen Stromversorgung und Ausführung dargelegt..

一 、Spannungsversorgungsschiene im Bordnetz eines Fahrzeugs

Was wir derzeit in Pkw sehen können, sind Stromversorgungssysteme mit 12 V, 48 V und Hochspannung (400 V/800 V).In herkömmlichen Personenkraftwagen mit Verbrennungsmotor wird seit jeher die 12-V-Stromversorgung verwendet, und auch die entsprechenden Halbleiterprodukte nehmen einen großen Teil des Marktes ein. Den Prognosen einiger internationaler maßgeblicher Organisationen zufolge werden Autos, die ausschließlich mit Verbrennungsmotoren angetrieben werden, etwa im Jahr 2030 vom Markt verschwinden. Angesichts des Größenvorteils der ausgereiften Teilelieferkette des 12-V-Systems und des relativ geringen Kostenvorteils von Halbleiterprodukten, die für die Anwendung dieses Systems geeignet sind, sollte die 12-V-Stromversorgungsschiene jedoch noch lange existieren. Zu diesem Zeitpunkt wird DC-DC den herkömmlichen 12-V-Generator vollständig ersetzen und zur Stromversorgung für Batterieladung und Laststromversorgung im 12-V-System werden, was einige Änderungen in den Eigenschaften des 12-V-Stromversorgungssystems mit sich bringen wird, wie z. B. Lastabwurf.
Da es sich um den entsprechenden Stromversorgungsstandard handelt, kann er entsprechend angepasst werden.48 V als sichere Spannungsklasse bietet in Hybridstromsystemen aufgrund der geringeren Anforderungen an den Isolationsgrad und anderer Faktoren einen gewissen Kostenvorteil. Durch die Verbesserung der Lieferkette im 48-V-System werden die Kosten der Großserienproduktion gesenkt. Gleichzeitig hilft die Standardisierung einiger Teile in verschiedenen Hochvoltfahrzeugen Zulieferern und Fahrzeugherstellern, die Kosten für das Teilemanagement zu senken. Auf diese Weise kann die 48-V-Stromversorgungsschiene nicht nur in Fahrzeugen mit Mikro-Hybrid-System, sondern auch in Fahrzeugen mit neuer Energie und Hochspannungssystem eingeführt werden, sodass einige Lasten mittlerer Leistung (z. B. zwischen 1 kW und 10 kW) kann im 48-V-Stromversorgungssystem betrieben werden, wodurch die Anwendung eines DC-DC-Wandlers, der Hochspannung (400 V/800 V) in 48 V umwandelt, strahlend aussieht.

Da im selben Fahrzeug drei Schienen (HV, 48 V, 12 V) nebeneinander vorhanden sind, hängt es unter Berücksichtigung der Architektur, der Funktionssicherheit und der Kosten des gesamten Fahrzeugs vom Design des Fahrzeugs ab, ob die Topologie des Stromversorgungsnetzes eine zentrale Spannungsumwandlung oder eine verteilte Spannungsumwandlung verwendet In der gesamten Fahrzeugfabrik werden auch unterschiedliche Anforderungen an das Leistungsniveau und das funktionale Sicherheitsniveau von DC-DC gestellt.

   

ZweitensÜber „Ausführung“

Wie oben erwähnt, führt die Koexistenz von drei Versorgungsspannungsschienen zu unterschiedlichen Anforderungen an Aktuatoren unter unterschiedlichen Spannungsschienen, d. h. zu unterschiedlichen Anforderungen an Halbleiter-Leistungsbauelemente. Unterschiedliche Spannungsschienen erfordern unterschiedliche Spannungsfestigkeitsniveaus für Halbleiter-Leistungsbauelemente. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Antriebsströme und unterschiedliche Schaltfrequenzen für Leistungsgeräte.

Die 48-V-Spannungsschiene konzentriert den Einsatz von Leistungen von 1 kW bis 10 kW. Darunter stellen DC-DC- und Motorwechselrichter die Mehrheit dar. In Anbetracht der Spannungsfestigkeit und des Leistungspegels ist dies das Hauptkampffeld für MOSFETs und GaN auf Siliziumbasis. Allerdings wird es derzeit noch einige Zeit dauern, bis GaN in der Automobilelektronik zum Einsatz kommt.

Die folgende Abbildung zeigt einige entsprechende Anwendungsbereiche von Silizium-, Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Leistungsbauelementen als Referenz.

Was die Leistungsbauelemente betrifft, die in Hochspannungsschienen eingesetzt werden, ist Siliziumkarbid (SiC) derzeit das heißeste Thema. Siliziumkarbid-Leistungsgeräte bieten die Vorteile eines geringen Schaltverlusts, einer hohen Spannungsfestigkeit, einer hohen Arbeitstemperatur und einer hohen Wärmeableitungskapazität, sodass das System bei höherer Spannung und höherer Frequenz arbeiten kann, wodurch das Volumen passiver Komponenten reduziert und der Leistungsverlust verringert wird des Systems und Verbesserung der Leistungsdichte des Systems. Andererseits haben die aktuellen Geräte aus Siliziumkarbid jedoch einige Nachteile im Vergleich zu denen aus Silizium. Basierend auf den umfassenden Ergebnissen gehen wir davon aus, dass Silizium- und Siliziumkarbid-Leistungsgeräte in Zukunft noch einige Zeit nebeneinander existieren und ihre jeweiligen Stärken in ihren jeweiligen Bereichen voll zur Geltung bringen werden.

Den Analyse- und Testinformationen von Infineon zufolge kann das Stromversorgungssystem mit Siliziumkarbid-Bauelementen den Leistungsverlust um etwa 7.6 % im Vergleich zu einem Stromversorgungssystem mit Siliziumbauelementen auf dem gleichen Leistungsniveau reduzieren, einschließlich der Leistungsverlustreduzierung während des Motorantriebs Reduzierung der Verlustleistung bei der Energierückgewinnung des Motors.

Die folgende Abbildung zeigt einen Vergleich einer Reihe experimenteller Daten zum Unterschied im Stromverbrauch von Leistungsgeräten, wenn der Motor bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten einen siliziumbasierten IGBT und einen Siliziumkarbid-MOSFET verwendet. Es ist ersichtlich, dass bei einer Motordrehzahl von 2667 U/min und einem Ausgangsdrehmoment von 553.3 Nm der Stromverbrauch eines siliziumbasierten IGBT etwa 13 % geringer ist als der eines Siliziumkarbid-MOSFET.

Daraus können wir grob die Anwendungsszenarien von siliziumbasierten IGBTs und Siliziumkarbid-MSOFETs in Antriebswechselrichtern ableiten, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Durch die Übernahme des gemeinsamen „Hybrid“-Schemas von siliziumbasiertem IBGT und Siliziumkarbid-MOSFET können die jeweiligen Vorteile voll ausgenutzt und die Stärken des jeweils anderen genutzt werden. Der von einem siliziumbasierten IGBT angetriebene Motor kann den Vorteil eines geringeren Leistungsverlusts als MOSFET bei hohem Strom voll ausspielen und bietet vor allem eine hohe Drehmomentabgabe, die sich in der Beschleunigungsleistung des gesamten Fahrzeugs widerspiegelt. Der von einem Siliziumkarbid-MOSFET angetriebene Motor arbeitet jedoch im Reisebetrieb besser, was die Energieeffizienz verbessert. Um beide Ziele zu erreichen und sowohl Fische als auch Bärentatzen zu haben.

Dies kann dazu führen, dass das Fahrzeug die gleiche Reichweite beibehält und gleichzeitig die Batteriekapazität verringert, wodurch die Batteriekosten gesenkt werden und die durch die Einführung von Siliziumkarbid-Stromversorgungsgeräten verursachten Kostensteigerungen teilweise kompensiert werden. Gleichzeitig kann durch die Reduzierung der Batteriekapazität und die Erhöhung der Wechselrichter-Leistungsdichte auch das Gewicht des Fahrzeugs reduziert und die Energienutzungseffizienz des gesamten Fahrzeugs verbessert werden.

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