電機(jī)和碳化硅在商用車應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

本文將從二氧化碳減排、未來動力總成的技術(shù)驅(qū)動因素等角度對商用車進(jìn)行討論，并探討了基于碳化硅（SiC）的現(xiàn)代半導(dǎo)體器件，這些器件可以實現(xiàn)外形更小、效率更高和功能更強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換器。在商用車領(lǐng)域，與乘用車相比，由于驅(qū)動架構(gòu)不同，這個領(lǐng)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(jī)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

世界各地為減少交通運(yùn)輸中溫室氣體和污染物排放而制定的排放標(biāo)準(zhǔn)，使電力驅(qū)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(nóng)用車和建筑車）也開始采用電力驅(qū)動。相比過去的內(nèi)燃機(jī)車，電動商用車更環(huán)保、更安靜，也更高效；在擁有成本、維護(hù)和故障方面，對車主和運(yùn)營商也更具吸引力?？梢詭砀叩纳a(chǎn)率和更佳的投資回報。

電機(jī)的一個主要優(yōu)勢是效率高。內(nèi)燃機(jī)的效率變化很大，特別是在可變負(fù)載或部分負(fù)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(jī)的效率并不取決于其工作點(diǎn)。在相同的工作條件下，構(gòu)成電力驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)和逆變器可以實現(xiàn)更高的效率水平。電力傳動系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下可以達(dá)到80%以上的效率。電力傳動系統(tǒng)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，是因為其功率電子器件本身可以達(dá)到高達(dá)85%的效率水平。

在設(shè)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(wěn)健性、效率和安全性。另外，特別是在商用車領(lǐng)域，還必須考慮嚴(yán)酷的工作條件對總預(yù)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(yán)峻得多。要根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)逆變器，需要具備深厚的應(yīng)用知識，以及涵蓋功率和驅(qū)動器模塊、傳感器和微控制器的半導(dǎo)體產(chǎn)品組合，如圖2的系統(tǒng)圖所示。

圖2：系統(tǒng)示意圖——商用車驅(qū)動逆變器

02 碳化硅（SiC）——商用車領(lǐng)域的新機(jī)遇

相比乘用車，商用車需要更長的續(xù)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(chǎn)品。這種功率電子產(chǎn)品不僅可以構(gòu)建更高效的牽引變流器，還可以在小型應(yīng)用中實現(xiàn)節(jié)能。這些小型應(yīng)用包括液壓泵、空調(diào)和制冷裝置的壓縮機(jī)，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(yīng)用中帶來了顯著的改進(jìn)。通常來說，在相同負(fù)載情況下，SiC技術(shù)比功率MOSFET和IGBT的損耗更低。這意味著該技術(shù)可以提高開關(guān)和載流效率，這些優(yōu)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(dǎo)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(xiàn)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(tǒng)中，用于控制電力牽引電機(jī)的逆變器是一個典型的集中式系統(tǒng)。從效率的角度來看，這些系統(tǒng)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(zhuǎn)換為三相交流電壓，用于驅(qū)動電機(jī)。它們還會在再生制動期間反向運(yùn)行，捕獲車輛的動能，以產(chǎn)生用于為車輛電池充電的直流電壓。只有當(dāng)能量轉(zhuǎn)換的固有損耗較低時，系統(tǒng)的效率才能最大化。與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，SiC器件的導(dǎo)電性有所改善，從而減少了這些轉(zhuǎn)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(xù)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(yōu)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(xiàn)了更高的功率密度

為了滿足電動汽車功率電子系統(tǒng)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(guān)頻率，以及更高的功率密度。

英飛凌擁有豐富的產(chǎn)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(nóng)用車輛（CAV）細(xì)分市場中的貨車、農(nóng)用機(jī)械以及建筑行業(yè)的商用車。

英飛凌商用，建筑，農(nóng)用車輛eCAV解決方案全覽

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

新 的 供 應(yīng) 鏈 整 合 商 業(yè) 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(chuàng) 新 的 S i C （ 碳 化 硅 ） 技 術(shù) 。傳 統(tǒng) 的 供 應(yīng) 鏈 模 式 可 能 需 要 較 長 時 間 才 能 將 S i C 技 術(shù) 應(yīng) 用 到 O E M 的 產(chǎn) 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(chuàng) 新 ， 并 將 其 應(yīng) 用 于 系 統(tǒng) 設(shè) 計 中 。 

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

最 后 ， 是 擁 有 更 高 的 設(shè) 計 自 由 度 。傳 統(tǒng) 的 供 應(yīng) 鏈 模 式 可 能 受 限 于 特 定 供 應(yīng) 商 提 供 的 部 件 和 技 術(shù) 選 擇 ， 從 而 限 制 了 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 創(chuàng) 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(jù) 自 己 的 需 求 進(jìn) 行 設(shè) 計 ， 并 實 現(xiàn) 更 具 競 爭 力 的 產(chǎn) 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(yīng)用

04 24V車身應(yīng)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(chǎn)率和能效

英 飛凌 可 擴(kuò) 展 的 C A V 專 用 解 決 方 案 可 實 現(xiàn)無縫 數(shù) 據(jù) 集 成 、 準(zhǔn) 確 的 診 斷 和 先 進(jìn) 的 控 制 ， 使 您 能 夠 應(yīng) 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(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

●  適用于 24V 商用車輛的故障后可操作電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

●  24 GHz 雷達(dá)

●  多用途攝像頭

●  主配電中心

02 充電與儲能 - 最廣泛和可擴(kuò)展的電動汽車充電產(chǎn)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(tǒng) 成本 和 耐 用 性 的 嚴(yán) 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(kuò) 展 性 。結(jié)合 我 們 的 車 載 電 池 管 理 系 統(tǒng) （ B M S ） ， 可對 電 池 進(jìn) 行 精 確 監(jiān) 控 、 保 護(hù) 和 優(yōu) 化 。

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

●  車載電池充電器

●  汽車電池管理系統(tǒng) (BMS)

●  電池斷電保護(hù)裝置

●  50 kW 至 350 kW 充電器

●  無線充電

03 高壓應(yīng)用 - 高效緊湊的一體化系統(tǒng)解決方案

英 飛 凌 提 供 可 靠 、 可 擴(kuò) 展 的 C A V 專 用 高 壓 產(chǎn) 品 組 合 ， 支 持 各 種 電 機(jī) 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(chǎn) 品 上 市 時 間 。

我 們 可 在 車 內(nèi) 實 現(xiàn) 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(jìn) ?壓 和 低 壓 子 網(wǎng) 絡(luò) 之 間 的 高 效 雙 向 能 量 流 。 

憑 借 在 S i - I G B T 和 S i C 領(lǐng) 域 的 專 業(yè) 知 識 ， 從微 控 制 器 到 精 確 的 傳 感 器 和 功 能 強(qiáng) 大 的 開關(guān) ， 英 飛 凌 的 可 擴(kuò) 展 解 決 方 案 可 確 保 最 佳的 效 率 、 安 全 性 、 穩(wěn) 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(zhuǎn)換器

●  適用于商用車輛的輔助應(yīng)用

04 24V車身應(yīng)用 - 高度集成的功能和可擴(kuò)展的解決方案

以 更 小 的 電 路 板 空 間 實 現(xiàn) 商 用 車 不 斷 擴(kuò) 展的 功 能 、 實 現(xiàn) 更 低 的 設(shè) 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(shè) 計 靈 活 性 、 將卓 越 的 診 斷 和 保 護(hù) 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(shè)計靈活性。

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

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

●  24 V 車身控制模塊 (BCM)

●  低壓電機(jī)控制

●  閥門控制

05 燃料電池解決方案

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

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

●  輔助逆變器

●  電池管理系統(tǒng)（BMS）

●  燃料電池控制單元（FCCU）

●  燃料電池 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器

●  燃料電池電動空氣壓縮機(jī)

●  高低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

●  主逆變器（卡車和農(nóng)用車輛）