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半导体

改善电源管理,芯片助力破解新能源汽车充电难

2021年国庆期间,新能源汽车的长途旅行充电难问题引起广泛关注。据报道,有车主在高速公路服务区为了给车充电花费5个多小时,原本8小时的路程,最终花了16个小时。充电难问题正在成为限制新能源汽车产业进一步发展的关键。在这方面,芯片产业有着很大的发挥空间,通过电池管理实现快速充电、通过能源管理提高续航里程,许多芯片企业均推出相关解决方案。当电动车也能轻松开启长途之旅的时候,或许将是其全面取代燃油车的时机。

新能源车长途旅行,里程焦虑依然存在

尽管受到缺芯问题的影响,近两年来我国新能源汽车市场依然保持快速增长。据统计,截至2021年6月新能源汽车保有量为603万辆。2021年上半年新注册登记新能源汽车达到110万辆。至9月我国新能源汽车渗透率已达17.1%。

新能源汽车保有量迅速增加所导致的问题,平常时期或许还不明显,一旦展开长途旅行,续航里程不足、充电设备分布不合理、快充技术无法满足需求等,就凸显了出来。有专家指出,之所以今年国庆期间新能源汽车在高速公路上排队充电引起社会的广泛关注,本质上还是新能源汽车保有量快速提升,而充电设备、快充技术却无法跟上,造成供给不足以及供需错配的问题。

事实上,很多企业已经意识到这样的问题,也在着力解决。日前,瑞士电气巨头ABB发布了一款一体化电动汽车充电器——Terra 360,最大输出功率为360KW,可以同时为4辆电动汽车充电,并且能够在15分钟甚至更短的时间内充满电量。充电桩企业与新能源汽车企业也在积极搭建充换电装置。据报道,蔚来已在全国累计建成109座高速换电站,预计春节前增加至169座。今年8月,特斯拉宣布在中国建成7000个超充桩。

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提升新能源汽车续航里程也是解决问题的有效方式。意法半导体亚太区汽车产品市场及应用高级总监郑明发指出,续航里程、安全性和成本是当前新能源发展的主要瓶颈。奇点汽车副总裁赵强也表示,在智能车联、智能驾驶方面对于汽车的加持,是保证我们在新能源汽车全球范围内的核心竞争力。新能源汽车企业一方面要加强电池方面的开发,力争做到电池密度与安全性的完美兼顾,另一方面加强电气架构方面的研发,解决发展中的瓶颈,以赢得消费者。

汽车能源管理,芯片作用巨大

无论是增加新能源汽车续航里程,还是提升充电设施性能,芯片企业都有许多发挥作用的空间。郑明发表示,目前新能源汽车能够达到续航里程500多公里,要想提高续航里程,最直接的办法是加大电池容量,但这又会带来成本、安全性和车辆自重增加等问题。完整的新能源管理芯片解决方案有助于改善这些痛点,如进行电源管理的模拟前端芯片能够实时高精度的监控电池电压,有助于客户优化SoC、SoH算法,在安全的前提下,最大限度地使用电池储存的能量,提高续航里程。

新能源汽车主要芯片类型包括主控芯片、模拟芯片,以及功率半导体(如MOSFET、IGBT、碳化硅模块、晶体管和二极管)等。传统燃油汽车向新能源汽车的转变意味着汽车的电气化、电子化,而电气电子模块中最核心的就是半导体芯片,可以说芯片是新能源的“大脑”,至关重要。比如模拟前端芯片监控着电池的状态,主控芯片通过计算可以确定剩余的续航里程、保证电池处于安全状态。又如电机控制器可将高压电池包的直流电逆变成交流电,以驱动电机实现整车的前进后退功能,在刹车时又将能源回馈给电池。尺寸、车重和空间是电动汽车的重要参数,为顺应这种市场趋势,引入创新技术是非常重要的,有利于延长续航里程、缩减电池尺寸(或提高电池可靠性)、解决快速高效充电等难题。

意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域市场和应用副总裁沐杰励则强调充电基础设施的重要性。他指出,随着新能源汽车使用率提高,消费者对方便、快速充电的需求也越来越高,因此需要扩大基础设施建设,增加充电站数量并提供更快的充电服务。完整的充电站生态系统、先进的功率技术和碳化硅等新材料是新能源汽车产业的重点发展方向。先进的功率技术和新材料在新能源汽车中起着重要作用。先进功率技术包括硅基车规低电压/高电压MOSFET、车规级Trench IGBT及模组,新型材料器件主要是碳化硅及模组。这些先进技术是新能源汽车的起动发电一体机系统、车载充电器/ DC-DC转换器和驱动电机逆变器的核心技术。

宽禁带半导体将获更多发展机会

在推进新能源汽车及相关充电设施的过程中,将为碳化硅等宽禁带半导体产业带来极大的发展机会。目前,意法半导体、英飞凌、安森美、瑞能半导体、比亚迪半导体等厂商均在积极推出车用碳化硅功率模块及驱动器解决方案,可减少电动车充电桩所需高频工作的开关损耗,提升充电效率。

瑞能半导体CEO Markus表示,目前,碳化硅等的产品已被广泛应用于电动汽车充电桩、车载充电机、摩托车点火器、摩托车调压器、车灯控制等。相信在未来的汽车市场上,尤其是在新能源汽车市场上,相关的解决方案会逐步推出,并随着后续开发出的新产品,将作大规模地部署。对比传统硅器件,碳化硅以其高频、低阻抗、高结温、耐高压的特性,在电驱动系统和车载充电机上有显著的应用优势。比如在电驱动系统,减少损耗以及冷却系统、增加功率密度,增加续航里程以及减少电池容量;在车载充电机应用上,可以提高驱动频率,减少变压器和电容的尺寸,减少损耗,从而减少充电时间。

根据研究机会Omdia的报告,在混合动力及电动汽车、电源和光伏逆变器需求的拉动下,碳化硅和氮化镓功率半导体的新兴市场预计在今年就会突破10亿美元的大关。而结合目前全球碳化硅和氮化镓功率半导体的销售收入,预计未来十年,每年的市场收入以两位数增长,到2029年将超过50亿美元。硅基功率器件仍将占据功率半导体市场的半壁江山,宽禁带器件在未来会有长足的增长,由2020年5%的市场占有率增加到2024年的17%。


责任编辑:陈炳欣


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