電機和碳化硅在商用車應用領域的優勢與挑戰

本文將從二氧化碳減排、未來動力總成的技術驅動因素等角度對商用車進行討論，并探討了基于碳化硅（SiC）的現代半導體器件，這些器件可以實現外形更小、效率更高和功能更強大的轉換器。在商用車領域，與乘用車相比，由于驅動架構不同，這個領域并沒有一個通用的解決方案適用于所有情況。

01 商用車電機的優勢與挑戰

世界各地為減少交通運輸中溫室氣體和污染物排放而制定的排放標準，使電力驅動開始嶄露頭角。除了乘用車外，越來越多的商用車（例如：卡車、公共汽車、貨車或農用車和建筑車）也開始采用電力驅動。相比過去的內燃機車，電動商用車更環保、更安靜，也更高效；在擁有成本、維護和故障方面，對車主和運營商也更具吸引力?？梢詭砀叩纳a率和更佳的投資回報。

電機的一個主要優勢是效率高。內燃機的效率變化很大，特別是在可變負載或部分負載的情況下。在極端情況下，效率甚至可能降至15%或更低。電機的效率并不取決于其工作點。在相同的工作條件下，構成電力驅動系統的電機和逆變器可以實現更高的效率水平。電力傳動系統在最佳狀態下可以達到80%以上的效率。電力傳動系統之所以能夠實現這一點，是因為其功率電子器件本身可以達到高達85%的效率水平。

在設計或選擇逆變器時，需要考慮的重要因素包括功率密度、可靠性、穩健性、效率和安全性。另外，特別是在商用車領域，還必須考慮嚴酷的工作條件對總預期壽命的長期影響。通常而言，這些條件比乘用車面臨的條件要嚴峻得多。要根據這些標準開發逆變器，需要具備深厚的應用知識，以及涵蓋功率和驅動器模塊、傳感器和微控制器的半導體產品組合，如圖2的系統圖所示。

圖2：系統示意圖——商用車驅動逆變器

02 碳化硅（SiC）——商用車領域的新機遇

相比乘用車，商用車需要更長的續航里程和電池壽命。由于電池占用了較大的安裝空間，因此商用車需要使用高效的功率電子產品。這種功率電子產品不僅可以構建更高效的牽引變流器，還可以在小型應用中實現節能。這些小型應用包括液壓泵、空調和制冷裝置的壓縮機，以及車載充電器。

圖3：SiC晶圓MOSFET的俯視圖

碳化硅（SiC）器件在這些應用中帶來了顯著的改進。通常來說，在相同負載情況下，SiC技術比功率MOSFET和IGBT的損耗更低。這意味著該技術可以提高開關和載流效率，這些優勢在較高的中間電路電壓下大有可為。由于這些特性，SiC半導體特別適用于電池電壓和總儲能容量更高的電動汽車。由于SiC器件還能夠在更高的電壓下工作，因此可以實現車載充電解決方案，從而縮短充電時間，并降低總損耗。

在傳動系統中，用于控制電力牽引電機的逆變器是一個典型的集中式系統。從效率的角度來看，這些系統可以通過使用SiC器件而獲益。逆變器的核心功能是將直流電壓轉換為三相交流電壓，用于驅動電機。它們還會在再生制動期間反向運行，捕獲車輛的動能，以產生用于為車輛電池充電的直流電壓。只有當能量轉換的固有損耗較低時，系統的效率才能最大化。與傳統的硅技術相比，SiC器件的導電性有所改善，從而減少了這些轉換損耗（其中很大一部分損耗以熱量的形式存在）。提高SiC逆變器的效率，有助于最大限度地延長電動汽車的續航里程，從而更有效地利用有限的電池容量。除了效率方面的優勢外，基于SiC器件的逆變器還具有更高的功率密度。這意味著SiC逆變器可以變得更小，占用的安裝空間也更少。

圖4：用碳化硅實現了更高的功率密度

為了滿足電動汽車功率電子系統日益增長的效率與功率密度提升需求，研究碳化硅器件將大有裨益。與硅基器件相比，SiC-MOSFET具有更低的損耗、更高的開關頻率，以及更高的功率密度。

英飛凌擁有豐富的產品組合，可供商用車使用：除了卡車與公共汽車，還包括商用、建筑和農用車輛（CAV）細分市場中的貨車、農用機械以及建筑行業的商用車。

英飛凌商用，建筑，農用車輛eCAV解決方案全覽

近 年 來 ， 隨 著 供 應 鏈 整 合 的 趨 勢 不 斷 加 強 ， 各 原 始 設 備 制 造 商 （ O E M ） 之 間 的 合 作 方 式 正 在 發 生 深 刻 的 變 革 。過 去 ， O E M 通 常 需 要 與 多 個 供 應 商 協 商 部 件 采 購 、 系 統 開 發 和 產 品 生 產 ， 這 往 往 導 致 復 雜 的 合 作 關 系 和 資 源 浪 費 。然而， 如 今 的 趨 勢 是 ， O E M 直 接 購 買 所 需 的 部 件 和 技 術 ， 共 同 進 行 創 新 和 開 發 ， 以 實 現 供 應 鏈 的 簡 化 和 優 化 。 

新 的 供 應 鏈 整 合 商 業 模 式 帶 來 了 許 多 顯 著 的 好 處 ， 其 中 之 一 是 客 戶 能 夠 更 早 地 享 受 到 創 新 的 S i C （ 碳 化 硅 ） 技 術 。傳 統 的 供 應 鏈 模 式 可 能 需 要 較 長 時 間 才 能 將 S i C 技 術 應 用 到 O E M 的 產 品 中 ， 但 通 過 直 接 從 英 ? 凌 購 買 所 需 的 部 件 ， 客 戶 可 以 更 快 地 獲 得 S i C 創 新 ， 并 將 其 應 用 于 系 統 設 計 中 。 

第 二 ， 這 種 供 應 鏈 整 合 模 式 可 以 確 保 所 提 供 的 系 統 完 全 符 合 O E M 的 需 求 。傳 統 的 供 應 鏈 模 式 可 能 導 致 信 息 傳 遞 和 理 解 上 的 偏 差 ， 從 而 影 響 最 終 產 品 的 質 量 和 性 能 。然 而 新 商 業 模 式 ， 使 O E M 可 以 更 好 地 溝 通 和 協 調 ， 確 保 所 購 買 的 部 件 和 技 術 完 全 符 合 需 求 ， 并 且 能 夠 與 其 它 系 統 無 縫 集 成 。 

最 后 ， 是 擁 有 更 高 的 設 計 自 由 度 。傳 統 的 供 應 鏈 模 式 可 能 受 限 于 特 定 供 應 商 提 供 的 部 件 和 技 術 選 擇 ， 從 而 限 制 了 系 統 設 計 的 創 新 性 和 靈 活 性 。在 英 飛 凌 ， 客 戶 可 以 獲 得 更 廣 泛 的 選 擇 ， 可 以 自 由 地 根 據 自 己 的 需 求 進 行 設 計 ， 并 實 現 更 具 競 爭 力 的 產 品 。

英?凌 eCAVs 解決?案

01 安全與ADAS解決?案

02 充電與儲能

03 高壓應用

04 24V車身應用

05 燃料電池解決方案

01 安全與ADAS解決方案 - 最佳車輛安全性、生產率和能效

英 飛凌 可 擴 展 的 C A V 專 用 解 決 方 案 可 實 現無縫 數 據 集 成 、 準 確 的 診 斷 和 先 進 的 控 制 ， 使 您 能 夠 應 對 三 大 趨 勢 ：二氧 化 碳 減 排 、 即 將 到 來 的 3 級 和 4 級 自 動 駕 駛 以 及 降 低 保 險 成 本 。

●  適用于 24V 商用車輛電動助力轉向系統(EPS)

●  適用于 24V 商用車輛的故障后可操作電動助力轉向系統(EPS)

●  24 GHz 雷達

●  多用途攝像頭

●  主配電中心

02 充電與儲能 - 最廣泛和可擴展的電動汽車充電產品組合

英 ? 凌 提 供 無  縫 充 電 體 驗 ， 釋 放 最 佳 電 池性 能 、 同 時 滿 足 對 ? 功 率 密 度 、 低 系 統 成本 和 耐 用 性 的 嚴 格 要 求 。

我 們 的 C A V 專 用 車 載 充 電 器 （ O B C ） 支 持可 靠 的 4 3 千 瓦 快 速 充 電 ， 使 用 壽 命 可 延 長 至 1 5 0 萬 公 里 ， 并 具 有 高 度 可 擴 展 性 。結合 我 們 的 車 載 電 池 管 理 系 統 （ B M S ） ， 可對 電 池 進 行 精 確 監 控 、 保 護 和 優 化 。

此 外 ， 通 過 我 們 高 達 3 . 5 兆 瓦 的 可 擴 展 直 流 車 外 充 電 以 及 感 應 式 和 諧 振 式 無 線 充 電 系統 、 英 飛 凌 使 充 電 基 礎 設 施 能 夠 滿 足 商 業需 求 并 適 應 未 來 的 擴 展 。

●  車載電池充電器

●  汽車電池管理系統 (BMS)

●  電池斷電保護裝置

●  50 kW 至 350 kW 充電器

●  無線充電

03 高壓應用 - 高效緊湊的一體化系統解決方案

英 飛 凌 提 供 可 靠 、 可 擴 展 的 C A V 專 用 高 壓 產 品 組 合 ， 支 持 各 種 電 機 類 型 和 8 0 0 V 及以 上 的 電 池 電 壓 。幫 助 您 降 低 總 擁 有 成本 ， 縮 短 產 品 上 市 時 間 。

我 們 可 在 車 內 實 現 無 縫 電 源 管 理 和 分 配 。高 效 電 源 模 塊 和 分 立 解 決 方 案 還 可 促 進 ?壓 和 低 壓 子 網 絡 之 間 的 高 效 雙 向 能 量 流 。 

憑 借 在 S i - I G B T 和 S i C 領 域 的 專 業 知 識 ， 從微 控 制 器 到 精 確 的 傳 感 器 和 功 能 強 大 的 開關 ， 英 飛 凌 的 可 擴 展 解 決 方 案 可 確 保 最 佳的 效 率 、 安 全 性 、 穩 健 性 和 更 長 的 電 池 壽命 。

●  適用于商用車輛的動力總成逆變器

●  電動汽車熱管理

●  高壓-低壓  直流-直流 轉換器

●  適用于商用車輛的輔助應用

04 24V車身應用 - 高度集成的功能和可擴展的解決方案

以 更 小 的 電 路 板 空 間 實 現 商 用 車 不 斷 擴 展的 功 能 、 實 現 更 低 的 設 計 成 本 ， 釋 放 C A V的 全 部 潛 能 。我 們 的 2 4 V 車 身 E C U 綜 合 解決 方 案 最 大 限 度 地 提 高 了 設 計 靈 活 性 、 將卓 越 的 診 斷 和 保 護 功 能 與 " Limp Home"功能安全概念集成在一塊電路板上，最大限度地提高了設計靈活性。

無 論 是 無 刷 、 有 刷 還 是 單 向 直 流 電 機 ， 英飛 凌 的 低 壓 電 機 控 制 單 元 均 可 提 供 高 效 的低 壓 電 機 控 制 單 元 為 1 2 V 和 2 4 V 系 統 提 供 ?效 、 集 成 和 分 立 的 電 機 控 制 ， 當 然 還 配 備了 診 斷 保 護 功 能 。

與 英 飛 凌 的 液 壓 和 氣 動 閥 門 控 制 系 統 搭 配使 用 ， 我 們 廣 泛 的 閥 體 應 用 范 圍 可 確 保 精度 ， 與 英 飛 凌 液 壓 和 氣 動 閥 門 控 制 系 統 配合 使 用 ， 我 們 的 閥 體 應 用 范 圍 廣 泛 ， 可 確保 在 惡 劣 環 境 下 的 精 度 、 堅 固 性 和 適 應性 ， 同 時 具 有 成 本 效 益 。

●  24 V 車身控制模塊 (BCM)

●  低壓電機控制

●  閥門控制

05 燃料電池解決方案

英 飛 凌 以 我 們 的 專 業 知 識 為 下 ? 代 燃 料 電池 電 動 汽 車 動 力 傳 動 系 統 提 供 支 持 、 合 作伙 伴 網 絡 和 ? 站 式 服 務 支 持 下 ? 代 燃 料 電池 電 動 汽 車 動 力 傳 動 系 統 ， 優 化 系 統 效率 、 規 模 經 濟 性 和 上 市 時 間 。 

氫 燃 料 電 池 堆 是 電 動 汽 車 燃 料 電 池 技 術 的核 心 。我 們 的 功 率 半 導 體 解 決 方 案 和 智 能控 制 集 成 電 路 可 實 現 多 目 標 優 化 ， 從 而 降低 系 統 成 本 、 我 們 的 功 率 半 導 體 解 決 方 案和 智 能 控 制 集 成 電 路 可 實 現 降 低 系 統 成本 、 提 高 功 率 密 度 、 提 升 應 用 效 率 和 模 塊化 設 計 等 多 目 標 優 化 。

●  輔助逆變器

●  電池管理系統（BMS）

●  燃料電池控制單元（FCCU）

●  燃料電池 DC/DC 升壓轉換器

●  燃料電池電動空氣壓縮機

●  高低壓DC/DC轉換器

●  主逆變器（卡車和農用車輛）