Električna vozila postajajo vse bolj priljubljena zaradi svojih okolju prijaznih lastnosti v smislu kakovosti, funkcionalne preprostosti in energetske učinkovitosti. Funkcionalni potisk poganja elektromotor, ki ima v primerjavi z motorjem z notranjim zgorevanjem preprosto strukturo. Glede energetske učinkovitosti je primerjava med avtomobili z notranjim zgorevanjem in električnimi vozili simbolična: avtomobili z notranjim zgorevanjem imajo 16-odstotno energetsko učinkovitost, električna vozila pa 85-odstotno. Električna narava pogona je v prednosti pred naravo, ki temelji na zgorevanju - obnovljivi viri energije.
Elektrika ponuja veliko prilagodljivosti, vključno z uporabo različnih oblik pridobivanja energije, ki pomagajo pri polnjenju baterije, s čimer se podaljša čas delovanja samega vozila. Zato je tehnologija pridobivanja energije možnost za raziskave in razvoj električnih vozil.
Avtonomija električnih vozil neposredno odraža učinkovitost njihovega pogonskega sklopa in sistemov za upravljanje z energijo. Poleg tega je potrebna infrastruktura, kot so zmogljivi hitri polnilni sistemi, ki zdaj dosegajo več sto kilovatov, prav tako potrebna za izpolnjevanje strogih vnaprej določenih omejitev velikosti in učinkovitosti. S svojimi posebnimi fizikalnimi lastnostmi se lahko silicijev karbid (SiC) učinkovito odzove na te nove potrebe trga.
Med hibridnimi in električnimi vozili so vodilni elektronski napajalni sistemi DC/DC ojačevalni pretvorniki in DC/AC pretvorniki. Elektronski sistemi, razviti za električna vozila, obsegajo vse od temperaturnih, tokovnih in napetostnih senzorjev do polprevodnikov na osnovi SiC in galijevega nitrida (GaN).
Silicijev karbid je močan
Danes sta avtonomija in dolg čas polnjenja postala pomembna ovira za uvedbo električnih vozil. Za hitro polnjenje je potrebna večja moč za polnjenje v krajšem času. Zaradi omejenega prostora v avtomobilu morajo sistemi za polnjenje akumulatorjev zagotavljati visoko gostoto moči. Šele takrat bo mogoče te sisteme integrirati v vozilo.
V središču vsakega električnega vozila (EV) ali priključnega hibrida (HEV) najdemo visokonapetostne baterije (200 do 450 VDC) in njihove polnilne sisteme. Vgrajeni polnilniki (OBC) omogočajo polnjenje baterij iz izmeničnega toka v vašem domu ali na javni ali zasebni polnilni postaji. Od 3,6 kW trifaznih visokozmogljivih pretvornikov do 22 kW enofaznih, morajo današnji OBC-ji imeti najvišjo možno učinkovitost in zanesljivost, da zagotovijo hitro polnjenje in izpolnjujejo zahteve po omejenem prostoru in teži.
Vsi sistemi hitrega polnjenja zahtevajo kompaktno in učinkovito polnilno postajo, trenutni napajalni moduli SiC pa omogočajo ustvarjanje sistemov z zahtevano gostoto moči in učinkovitostjo. Za doseganje ambicioznih ciljev glede gostote moči in učinkovitosti sistema je treba uporabiti SiC tranzistorje in diode.
Odlična električna poljska jakost SiC substratov visoke trdote omogoča uporabo tanjših substratov. V primerjavi s epitaksialno plastjo silicija lahko ta doseže eno desetino debeline. Trend pri baterijah je povečevanje zmogljivosti, ta lastnost pa je povezana s krajšim časom polnjenja. To pa zahteva OBC z visoko močjo in učinkovitostjo, kot sta 11 kW in 22 kW.
Z uvedbo serije SCT3xHR ROHM zdaj ponuja najširšo linijo izdelkov na področju SiC MOSFET, ki ustreza AEC-Q101, kar zagotavlja visoko zanesljivost, potrebno za vgrajene polnilnike in pretvornike DC/DC za avtomobilske aplikacije (slika 1). STMicroelectronics ima tudi široko paleto MOSFET-jev, združljivih z AEC-Q101, diod iz silicija in silicijevega karbida (SiC) ter 32-bitnih avtomobilskih mikrokrmilnikov SPC5, ki zagotavljajo razširljive, stroškovno učinkovite in energetsko učinkovite rešitve za implementacijo teh zahtevnih pretvornikov (Slika 2).
Vozilo na mrežo
Pričakuje se, da se bo v naslednjem desetletju na cestah pojavilo na milijone baterijsko gnanih električnih vozil, kar bo predstavljalo velik izziv za omrežje. Ker se proizvodnja neprogramabilnih obnovljivih virov širi, se povečuje tudi potreba po uravnoteženih omrežjih.
Ko so avtomobilske baterije povezane v omrežje prek domačih polnilnih postaj Wallbox ali poslovnih ali javnih polnilnih postaj, postane njihovo inteligentno upravljanje izjemno privlačno. Vgrajene baterije se lahko uporabljajo za napajanje omrežja in tudi za črpanje energije, odvisno od takojšnje potrebe po absorpciji energije.
Sistem s pomočjo daljinskega upravljalnika zagotavlja vračanje energije, akumulirane v vozilu, ali rekuperacijo preko omrežja (v akumulator). Ključna tehnologija za izvedbo tega sistema je dvosmerni pretvornik moči, ki je povezan neposredno z visokonapetostno baterijo (300 do 500 voltov) na avtomatski strani in na nizkonapetostni omrežni strani (slika 3).
Tehnologija V2G (Vehicle-to-Grid) lahko naredi omrežje bolj uravnoteženo in učinkovito. Ker se povpraševanje po električni energiji povečuje, je ravnotežje med ponudbo in povpraševanjem ključnega pomena.
Brezžično polnjenje
Zaradi polnilnih mest v garažah ali javnih parkiriščih je razburljivo področje brezžično polnjenje električnih vozil. Ni nujno, da je polnilna točka natančno poravnana s sprejemnikom pod avtomobilom. Dolgoročno se bo poskušalo razviti različico za mikro nakladanje, ki bo lahko integrirala dolge nakladalne plošče in javne ceste za nalaganje vozil EV/HEV tudi med vožnjo, vendar bo to odvisno od števila težav, s katerimi se bodo srečali na nacionalni in lokalne upravne ravni.
Da bi tehnologija V2G delovala brez prekinitev, zagotavljala prednosti stabilnosti omrežja in omogočala, da vozila delujejo kot generatorji in viri podatkov, mora biti tehnologija brezžičnega polnjenja vključena ne le v samo vozilo, temveč tudi v domačo in mestno infrastrukturo. Vozilo je napolnjeno. Tako bo vozilo zelo uporabno, če bo potrebno.
Brezžično polnjenje, ki temelji na tehnologiji magnetne resonance, omogoča, da se električna vozila, ne glede na vrsto ali velikost, samodejno in varno polnijo z namestitvijo prožnih tuljav na izvorno ploščo z uporabo materialov, kot sta beton in asfalt. Brezžično napajanje bo vozilom omogočilo avtonomno polnjenje in implementacijo tehnologije V2G, ki nenehno vzbuja in duši brez človekovega posredovanja (slika 4).
sklep
Širokopasovne polprevodniške tehnologije in hitre polnilne postaje, ki jih omogočajo zmogljivosti digitalnega omrežja, bodo pomagale pospešiti uvajanje električnih vozil. Ker se svetovno povpraševanje po električnih vozilih povečuje, se povečuje tudi potreba po podpori polnilne infrastrukture. Inovativne tehnologije polnjenja za električna vozila so lahko katalizator sprememb, pomagajo pri spodbujanju sprejemanja električnih vozil in veliko prispevajo k cilju zmanjšanja emisij ogljika.
Močnostna elektronika električnih vozil je obogatena z napajalnimi napravami iz SiC, ki izpolnjujejo potrebe po izboljšavah: energijske učinkovitosti sistema; trdnost in gostota moči električnih vozil; in visoko zmogljive aplikacije, ki zahtevajo visoko napetost in moč – s čimer pomembno prispevajo k delovanju sistema in dolgoročni zanesljivosti. SiC MOSFETs in SiC Schottkyjeve pregradne diode (SBD) zagotavljajo najvišjo učinkovitost preklapljanja pri visokih frekvencah.