英飞凌电动汽车解决之道

    6月5日，英飞凌在北京举办的汽车电子巡回研讨会上，电驱动系统产品市场总监Dusan Graovac博士表示，通过发动机、传动系统等动力总成技术的改进及混合动力技术，可将汽油发动机的燃料效率提升39%。

纯电动车行驶成本为4.25欧元/百公里

　　传统汽车对能源和环保造成了越来越大的压力，对此，中、美、欧等主要汽车市场根据自身实际情况相继制定了各自的CO2排放目标，中国将在2015年达到155g/km，美国将在2016年达到140g/km，欧洲做的更好一些，2012年预计会实现120g/km的目标。

　　Graovac在演讲中指出，对于自重1.4吨、百公里油耗7.7升、CO2排放182g/km的汽车，通过直喷、小型化起停、热管理、小型化气缸等技术，可将油耗降低22～29%，CO2排放减少到142g/km或130g/km。而电机功率25kW、电池容量1kWh的混合动力车百公里油耗仅为4.7升，降低了39%，CO2排放减少到112g/km。相比汽油车7.5欧元/百公里的油耗成本，纯电动车的行驶成本为4.25欧元/百公里。

 
图1 EV、PHEV和HEV市场增长趋势

    2016年，具有起停功能的混动车预计占20%，其中欧洲市场在75%以上；增压式车占35%，欧洲占60%以上。EV、PHEV和HEV方面，发展速度主要取决于当地市场需求、政府鼓励政策、燃料价格和电池成本等因素。2012年，上述3种汽车的市场规模会超过200万辆，其中HEV约160万辆，是产业过渡期的主力。2014年，EV、PHEV有可能过百万辆（见图1）。

半导体在电动车中的作用更强

　　动力电池的成本通常约占整车成本的50%。在汽车使用一段时间后，电池组中每个单体电池的老化会使电池容量出现变化。控制着电池充电状态（SoC）、健康状况（SoH）和放电深度（DoD）的电池管理系统（BMS）可延长电池的寿命和储电量。英飞凌的主动电池均衡技术可将这些特性提高10%。

　　在充电方面，未来的长期发展趋势是双向充电，即汽车中的电能也可传回智能电网。具体地，电能在BMS监控后，通过DC/DC转换器、PFC及射频干扰滤波器，传给智能电网。英飞凌车厂业务拓展经理曹洪宇称，日产纯电动车Leaf的充电设计就考虑到了这点，由于日本地震频繁，电池组可在地震发生后将电能传回电网，以缓解供电紧缺的压力。

　　除行驶动力外，电动汽车的另一重要耗电因素是空调和电动助力转向系统。因此，需优化高压电池辅助系统的电源效率。

　　Graovac表示，英飞凌与30家欧洲厂商和学术研究机构合作发起了E3Car（高能效电动汽车）研究项目，旨在开发使能效基准提升35%的技术。

SiC JFET将在2015年底出现

　在EV和HEV的逆变器和充电器中，高功率密度、高压、大电流的IGBT功率模块可为混合系统的电机提供电能。

　　目前英飞凌HybridPACK系列功率模块在650V高压下，提供200A、400A、600A和800A的大电流。构成IGBT的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元很薄，只有40μm（见图2），这样可降低开关损耗，并将导通阻抗降低8倍。12英寸晶圆的产量是6英寸的4倍。

　　Graovac表示：“随着开关频率的提高，SiC材料的功率半导体器件肯定会到来。这种器件的特点是：高效、快速、高温能力强、可靠性高，高压能达2500V。SiC JFET可能在2015年底出现，可进一步提高逆变器的效率。”SiC物理特性与SiC JFET结构如图3所示。

 
图2 构成IGBT的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元示意图

图3 SiC物理特性与SiC JFET结构示意图

    在EV和HEV应用方面，对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC转换器和AC/DC充电器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案如图4所示。对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器，基于IGBT和SiC的解决方案如图5所示。

图4 对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC转换器和AC/DC充电器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案

图5 对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器，基于IGBT和SiC的解决方案

图6 英飞凌.XT工艺与标准工艺的比较

    此外，为了把器件结温提高到200℃，英飞凌采用了.XT工艺(见图6),更高的热性能提高了输出功率，延长了使用寿命，降低了硅及系统成本。与标准工艺相比，200℃结温在器件寿命相同的情况下，可将单位硅面积的输出功率提升60%；在输出功率相同的情况下，可将单位硅面积的寿命延长5倍；在寿命和输出功率相同的情况下，可将硅面积减少40%；更高温度的冷却液能力可不再使用低温散热器。

　　最后说一句关于TPMS（胎压监控系统）的题外话。据英飞凌工程师在研讨会上介绍，2007年9月，美国TPMS的装配率已达到100%。欧洲要求在2014年11月,所有的新车需装配TPMS。日本预计在2016年实现100%的装配率。而中国仅在2011年7月实施了TPMS推荐标准，笔者认为这远远不够。中国汽车销售量已达全球首位，如此多的车辆中，每年都会发生大量因爆胎引发的重大交通事故。而爆胎一旦发生，车辆极易失控，多是车毁人亡的严重后果。所以有必要在国内加快TPMS的强制性要求，提高安装率，保证驾乘者的生命安全。