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质用车:改善里程焦虑 碳化硅技术能否见效?

来源:车质网时间:2022-07-16 07:09作者:张航编辑:张宇

  如今,新能源汽车时代的大幕已经拉开,绝大部分车企已经朝向电气化转型,所生产出的新能源车也逐渐被消费者接受。有数据显示,2022年5月新能源乘用车终端销量32.3万辆,同比增长81.4%,渗透率高达25.5%。所以,从这些数据中不难看出,消费者对于新能源车型,特别是纯电车型的接受度在逐步提高,但仍有一些有“里程焦虑”的消费者持观望态度。

  为了解决里程焦虑 厂家投入不断

  其实,新能源汽车能有如此的发展,主要离不开国家政策的大力支持,例如新能源汽车补贴、免购置税以及不受限号限制等,这些都极大推动了新能源车在国内的普及。但续航里程无法满足更多使用场景,却成为了制约新能汽车发展的一大阻碍。而想要提升续航里程,必须要在三电系统的技术上有所突破,尤其是电池技术方面。为此,各大厂家均进行了不小的投入。

  例如我们熟悉的特斯拉,其电池内部提高了镍元素的含量,镍的占比越高电池能量密度越大,车辆的续航里程就会有较大提升,例如811、523以及LG的电池,其镍含量达到了90%,但是由于国际形势等问题,镍的价钱由原来的2万美元一吨涨到了3.3万美元,由于原材料价格上涨,所以车辆售价也随之呈现水涨船高的态势。此外,高镍三元锂正极材料中镍、钴、锰的比例由原来的“5:2:3”升级为“6:2:2”再到如今的“8:1:1”,虽然续航里程得到增加,但是镍的化学活性较强,动力电池热失控现象也有所增加。

  在国内,电动车起火问题也屡见不鲜,如何有效解决该问题,比亚迪给出了较为稳妥的方案,随着2020年3月磷酸铁锂刀片电池的问世,凭借高安全性、高稳定性等特点,让磷酸铁锂电池全面搭载到了比亚迪所有车系中,在业界最严苛的针刺试验中,刀片电池在钢针穿透后,电池没有出现明火、冒烟,电池表面的温度仅有30℃-60℃左右,这一结果证明“刀片电池”已摆脱传统动力电池可能会发生的“热失控”的现象。

  在技术上,刀片电池的主要是将电芯做成“刀片”般的细长形状,长度可以根据电池包的尺寸进行定制,最长可达2米以上。刀片电池在装配时可以直接跳过“模组”这一层级,直接组成电池包,在空间利用率上提升了50%,就拿比亚迪汉EV来说,其续航里程已经达到了605公里,已经达到了目前主流水平。

  碳化硅技术浮出水面 优势明显

  在传统新能源车型中,想让车辆续航里程更长,通常的做法是加大电机功率、增加电池密度等,这样的作法虽然能让车辆的动力以及续航得到提升,但这需要给车辆预留出更大的底盘空间且车重也会随之增加,间接影响了车辆操控性能。

  那么碳化硅究竟是一种什么材料呢?其实碳化硅是近年来发展迅速的一种新型半导体材质,相比于芯片制造使用的传统硅基材料,碳化硅在高压电、大功率工作环境下性能更优异,电流传导效率更高,从而使电动车更加节能,提升续航里程。。同时,使用碳化硅还可以实现更紧凑的动力系统布局,为车辆提供更加充裕的空间。

  得益于独特的结构,碳化硅在能耗方面的表现非常出众,根据研究显示,在高压电下,碳化硅比相同的硅部件能效增加8-12%,传导损耗减少了14%,同时碳化硅还能在高频状态下稳定工作,得益于这些技术外加之主机厂相应的电子算法,让车辆的电流损失更小,电机也能处于最佳的工作状态。

  在轻量化和集成化方面,碳化硅技术也有着较大优势,由于其传导损失降低较为明显,所以采用碳化硅材质的控制器工作密度提升明显,与同等性能的控制器相比体积也得到了大幅减小。就目前来看,碳化硅在纯电动车的电机功率控制模块和充电设备中有着广泛的应用场景和发展空间。

  其实早在2018年,特斯拉就试水碳化硅技术,以降低车辆能耗,而在2020年,比亚迪也研制出了碳化硅电机驱动器,使得车辆加速得到明显提升,在随后的2021年,美国的一家新能源车企交付首批配有碳化硅控制器的车型碳化硅技术开始逐步在纯电动车领域得到广泛应用。

  都有哪些车型使用了碳化硅技术?

  目前特斯拉、比亚迪以及蔚来均已推出碳化硅相关产品,其中特斯拉最早在Model 3上开始应用,其主要用在主驱逆变器电力模块上,让它可以将逆变器体积缩小,进而打造出更流线的车体。同时也让model 3有了更加出色的风阻系数。

  在国内车企中,比亚迪汉EV已经开始使用自主研发的碳化硅技术,搭载碳化硅技术的控制器,使得汉EV高性能版的加速性能得到明显提升,相比于采用IGBT 4.0芯片的唐EV还快了0.5秒,据悉,2023年比亚迪将在旗下电动车中全面采用碳化硅技术器件。

  在2021年6月,蔚来ET7的首台180kW碳化硅电驱系统已经下线,这台驱动系统可以让电机综合损耗降低4%-6%。在结构方面,蔚来的180kW的电驱系统在同等尺寸,同等电压情况下,性能有了不小提升,包括电机类型的选择,转子磁钢选型上都进行了全新开发。而后异步感应电机通过电池的优化,使得模块电流的提升,从而实现性能的升级。其次,是优化减速器速比,减速器速比从9.57提升到了10.48。

  得益于碳化硅模块的应用,还间接优化了算法、效率、功耗、NVH、寿命等等。蔚来驱动科技在算法上采用了“全域PWM控制”。它能根据不同的工况,通过脉冲宽度调制(PWM)对电机进行控制。例如,车辆在低速行驶时,系统会采取开关频率策略,调整碳化硅模块的开关频率,使能耗减少35%左右,最终起到节能的目的;车辆在高速行驶时,系统会采用PWM调制优化策略,通过改变某一个点位或者某一个组件的频率,可使得能耗减少33.3%。而车辆在高负载时,系统还会提高电压利用率,实现功率提升。

  总的来说,碳化硅作为最典型的第三代半导体材料,具有传导快,耐高压和耐高温等优点。利用碳化硅材质设计出的电控器件能提升电机驱动系统效率以及功率。

  总结:碳化硅技术无疑是未来新能源车最为热门的技术之一,同时配备800V高压快充系统能否切实有效地落地,也成为了新能源车取代传统燃油车的关键所在。但是目前对于车企来说,如何控制车辆制造成本以及采用什么样的工艺,依旧是主要问题。就目前国内车企情况来看,比亚迪以及蔚来都在电机控制单元上采用两个IGBT与碳化硅混用的解决方案,这一方面可以让车辆成本有效降低,还提升了车辆动力。可以说,目前研究碳化硅技术能缓解当前续航里程焦虑问题,同时现有技术也不能随意放弃,毕竟单一的技术路线无法满足多样化的市场需求。

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