即將爆發(fā)？汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電效率達(dá)97%，SiC竟如此關(guān)鍵！

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2022-03-17 08:38:47 7

最近，美國(guó)一家機(jī)構(gòu)宣布，他們研發(fā)了效率高達(dá)97%的無(wú)線(xiàn)充電方案，效率比有線(xiàn)方案還高，汽車(chē)有望15分鐘就充滿(mǎn)電。而其中的關(guān)鍵就包括采用了全SiC模塊，以及使用創(chuàng)新的封裝技術(shù)和材料。

早前，寶馬、奔馳、保時(shí)捷已推出相關(guān)車(chē)型，豐田、現(xiàn)代、比亞迪等眾多車(chē)企也都有相關(guān)研發(fā)，但無(wú)線(xiàn)充電進(jìn)展較慢。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)能否帶來(lái)革命性變化？能否加速汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的商業(yè)化進(jìn)程？

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效率高達(dá)97%

15分鐘充滿(mǎn)電？

5月18日，美國(guó)橡樹(shù)嶺*實(shí)驗(yàn)室（ORNL）在其官網(wǎng)發(fā)布消息稱(chēng)，他們已成功演示了120kW無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，效率高達(dá)97%。

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據(jù)介紹，該項(xiàng)目早在2013年就開(kāi)始了，由ORNL牽頭，并與豐田汽車(chē)、Evatran、克萊姆森大學(xué)、思科、杜克能源公司和國(guó)際整流器等進(jìn)行合作，同時(shí)得到了美國(guó)能源部1900萬(wàn)美元（約1.2億人民幣）的支持。

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2016年3月，ORNL*在豐田RAV4上展示了20kW的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，其充電效率高達(dá)90%；2018年10月，ORNL展示了一種120kW的車(chē)輛無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，效率高達(dá)97%，是以前ORNL 技術(shù)的6倍。

為了推進(jìn)美國(guó)能源部的極快充電目標(biāo)，接下來(lái)他們將開(kāi)發(fā)270kW，甚至350-400kW的系統(tǒng)，電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間有望縮短至15分鐘以?xún)?nèi)，比有線(xiàn)充電方案還快，以保時(shí)捷Taycan為例，采用270 kW帶線(xiàn)充電方式，從5%充到88%需要22分鐘。

除了定點(diǎn)無(wú)線(xiàn)充外，ORNL還將開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，使汽車(chē)在專(zhuān)門(mén)配備的道路上行駛時(shí)能夠自動(dòng)通電，從而能夠降低電網(wǎng)的負(fù)荷。

SiC效率高達(dá)98%

封裝、材料大不同

SiC逆變器是ORNL無(wú)線(xiàn)充技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵。

ORNL在2014年發(fā)表的論文中提到，由于無(wú)線(xiàn)功率傳輸系統(tǒng)有5、6個(gè)電源轉(zhuǎn)換級(jí)，因此轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要，每級(jí)都需要盡可能高效，“在這種情況下，SiC逆變器至關(guān)重要”——它們可以進(jìn)行高頻操作，可以在相對(duì)較高的溫度下運(yùn)行，從而降低了冷卻組件的成本和尺寸。

該無(wú)線(xiàn)充采用的是全SiC功率模塊，從芯片和互連布局可以看到，該模塊包括4顆SiC MOSFET和4顆SiC二極管管芯。

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同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)安全可靠的250°C操作，該模塊還采用了專(zhuān)門(mén)的封裝技術(shù)和材料。其封裝采用了高溫引線(xiàn)鍵合結(jié)構(gòu)，電氣互連是通過(guò)將鋁線(xiàn)接合在芯片頂部，并將芯片焊接在DBC基板的銅跡線(xiàn)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這樣做，大約減少了30%的寄生電感。為了進(jìn)一步減輕功率模塊的重量，模塊也沒(méi)有采用模制塑料。

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他們采用堅(jiān)固的焊接層來(lái)替代塑料外殼的機(jī)械支撐，焊接層材料選擇了80%Au-20%Sn，因?yàn)樗梢猿惺?0 MPa的應(yīng)力，并且熔化溫度最合適。

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事實(shí)證明，ORNL開(kāi)發(fā)的SiC逆變器在每個(gè)開(kāi)關(guān)頻率（22kHz、48kHz、85kHz和142kHz）下的效率達(dá)到98%左右。

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從2014年以來(lái)，碳化硅模塊的效率都非常優(yōu)秀，但無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的整體效率卻不到92%。因此，為了提高系統(tǒng)整體效率，ORNL還開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的多相磁線(xiàn)圈。

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這種線(xiàn)圈耦合設(shè)計(jì)包含一個(gè)三相系統(tǒng)，該系統(tǒng)在線(xiàn)圈層之間具有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，好處是可以在更小的線(xiàn)圈中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度——即使充電功率高達(dá)300 kW，其占地面積也比其他無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)小得多。

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另外，ORNL還采用納米晶體材料和鋁，創(chuàng)造出一種新型磁性金屬混合屏蔽技術(shù)。

寶馬、奔馳、中興在推

無(wú)線(xiàn)充電商業(yè)化加速？

其他企業(yè)在無(wú)線(xiàn)充電效率方面也有不俗的表現(xiàn)，中興新能源汽車(chē)有限公司已經(jīng)將充電效率從原來(lái)的低于90%提高到93%左右。美國(guó)WiTricity的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)Drive 11效率為90%～93%。

2018年，寶馬率先發(fā)布了業(yè)內(nèi)*款無(wú)線(xiàn)充電混動(dòng)車(chē)型BMW 530e，搭載了3.3kW的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。此后，梅賽德斯-奔馳的S級(jí)插電式混合動(dòng)力車(chē)也開(kāi)發(fā)了無(wú)線(xiàn)充電版本。

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據(jù)介紹，Evatran公司也在為特斯拉Model S、寶馬I3、日產(chǎn)LEAF、雪佛蘭volt等車(chē)型提供無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)方面，目前從事電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的企業(yè)有華為、中興新能源、中惠創(chuàng)智等公司和科研院校。上汽榮威、比亞迪、北汽新能源等主流車(chē)企也都對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)測(cè)試，但目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還沒(méi)有一款支持無(wú)線(xiàn)充電的量產(chǎn)車(chē)型。

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但北京有感科技有限責(zé)任公司董事長(zhǎng)王哲曾表示，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，已有多家國(guó)內(nèi)外企業(yè)率先跨入這一領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)已拉開(kāi)序幕。

WiTricity大中華區(qū)總經(jīng)理孫立也曾透露，WiT-ricity與中國(guó)幾家企業(yè)進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)合作，開(kāi)展技術(shù)授權(quán)使用，加速電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的商用化。

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