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即将爆发?汽车无线充电效率达97%,SiC竟如此关键!

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:283

最近,美国一家机构宣布,他们研发了效率高达97%的无线充电方案,效率比有线方案还高,汽车有望15分钟就充满电。而其中的关键就包括采用了全SiC模块,以及使用创新的封装技术和材料。

早前,宝马、奔驰、保时捷已推出相关车型,丰田、现代、比亚迪等众多车企也都有相关研发,但无线充电进展较慢。这项技术的出现能否带来革命性变化?能否加速汽车无线充电的商业化进程?


效率高达97%

15分钟充满电?

5月18日,美国橡树岭国家实验室(ORNL)在其官网发布消息称,他们已成功演示了120kW无线充电系统,效率高达97%。

据介绍,该项目早在2013年就开始了,由ORNL牵头,并与丰田汽车、Evatran、克莱姆森大学、思科、杜克能源公司和国际整流器等进行合作,同时得到了美国能源部1900万美元(约1.2亿人民币)的支持。

2016年3月,ORNL首次在丰田RAV4上展示了20kW的无线充电系统,其充电效率高达90%;2018年10月,ORNL展示了一种120kW的车辆无线充电系统,效率高达97%,是以前ORNL 技术的6倍。


为了推进美国能源部的极快充电目标,接下来他们将开发270kW,甚至350-400kW的系统,电动汽车的充电时间有望缩短至15分钟以内,比有线充电方案还快,以保时捷Taycan为例,采用270 kW带线充电方式,从5%充到88%需要22分钟

除了定点无线充外,ORNL还将开发动态无线充电系统,使汽车在专门配备的道路上行驶时能够自动通电,从而能够降低电网的负荷。

SiC效率高达98%

封装、材料大不同

SiC逆变器是ORNL无线充技术实现高效率的关键。

ORNL在2014年发表的论文中提到,由于无线功率传输系统有5、6个电源转换级,因此转换效率至关重要,每级都需要尽可能高效,“在这种情况下,SiC逆变器至关重要”——它们可以进行高频操作,可以在相对较高的温度下运行,从而降低了冷却组件的成本和尺寸。

该无线充采用的是全SiC功率模块,从芯片和互连布局可以看到,该模块包括4颗SiC MOSFET和4颗SiC二极管管芯。

同时,为了实现安全可靠的250°C操作,该模块还采用了专门的封装技术和材料。其封装采用了高温引线键合结构,电气互连是通过将铝线接合在芯片顶部,并将芯片焊接在DBC基板的铜迹线上来实现的。通过这样做,大约减少了30%的寄生电感。为了进一步减轻功率模块的重量,模块也没有采用模制塑料。

他们采用坚固的焊接层来替代塑料外壳的机械支撑,焊接层材料选择了80%Au-20%Sn,因为它可以承受30 MPa的应力,并且熔化温度最合适。

事实证明,ORNL开发的SiC逆变器在每个开关频率(22kHz、48kHz、85kHz和142kHz)下的效率达到98%左右。

从2014年以来,碳化硅模块的效率都非常优秀,但无线充电系统的整体效率却不到92%。因此,为了提高系统整体效率,ORNL还开发了独特的多相磁线圈。

这种线圈耦合设计包含一个三相系统,该系统在线圈层之间具有旋转磁场,好处是可以在更小的线圈中实现更高的功率密度——即使充电功率高达300 kW,其占地面积也比其他无线充电技术小得多。

另外,ORNL还采用纳米晶体材料和铝,创造出一种新型磁性金属混合屏蔽技术。

宝马、奔驰、中兴在推

无线充电商业化加速?

其他企业在无线充电效率方面也有不俗的表现,中兴新能源汽车有限公司已经将充电效率从原来的低于90%提高到93%左右。美国WiTricity的无线充电系统Drive 11效率为90%~93%。

2018年,宝马率先发布了业内第一款无线充电混动车型BMW 530e,搭载了3.3kW的无线充电系统。此后,梅赛德斯-奔驰的S级插电式混合动力车也开发了无线充电版本。

据介绍,Evatran公司也在为特斯拉Model S、宝马I3、日产LEAF、雪佛兰volt等车型提供无线充电技术支持。

国内方面,目前从事电动汽车无线充电的企业有华为、中兴新能源、中惠创智等公司和科研院校。上汽荣威、比亚迪、北汽新能源等主流车企也都对电动汽车无线充电系统进行了研发测试,但目前国内市场还没有一款支持无线充电的量产车型。

但北京有感科技有限责任公司董事长王哲曾表示,在国内市场,已有多家国内外企业率先跨入这一领域,电动汽车无线充电的商业化竞争已拉开序幕。

WiTricity大中华区总经理孙立也曾透露,WiT-ricity与中国几家企业进行电动汽车无线充电技术合作,开展技术授权使用,加速电动汽车无线充电的商用化。




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