新能源汽車行業(yè)對汽車動力性的追求從未停止。而電機(jī)控制器作為控制新能源汽車核心動力的大腦,一直是業(yè)界關(guān)注的重點。新能源汽車的核心動力系統(tǒng)是電機(jī)控制器上由硅原料(以下簡稱為Si)加工制作而成的IGBT半導(dǎo)體功率器件,但是由于材料限制,傳統(tǒng)Si基功率器件在許多方面逐步逼近甚至已達(dá)到其材料的本征極限。以碳化硅(以下簡稱為SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料,正以其卓越的性能吸引著世界零部件供應(yīng)商和新能源汽車行業(yè)的注意。

北汽新能源作為中國新能源汽車行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè),是國內(nèi)最早整車搭載SiC材料控制器并進(jìn)行量產(chǎn)的企業(yè)之一。日前,搭載第三代半導(dǎo)體SiC電機(jī)控制器的北汽新能源實車,在吐魯番即將完成夏季高溫試驗,并在后續(xù)開展里程可靠性試驗和冬季高寒可靠性試驗,將SiC材料控制器在極端環(huán)境下的可靠性進(jìn)一步的驗證。

SiC控制器研發(fā)困難重重,北汽新能源提早布局直面挑戰(zhàn)

為了提供更好的產(chǎn)品給客戶,北汽新能源在開發(fā)SiC電機(jī)控制器的路上直面挑戰(zhàn)。早在2018年,北汽新能源就開始了對SiC控制器的開發(fā)。通過全新一代主控芯片的應(yīng)用、軟件架構(gòu)和代碼執(zhí)行效率的進(jìn)一步優(yōu)化,并基于SiC模塊進(jìn)行了包括驅(qū)動能力、短路保護(hù)在內(nèi)的一系列驅(qū)動電路的深度優(yōu)化設(shè)計,在2019年初即開發(fā)出了第一臺完全自主開發(fā)的SiC電機(jī)控制器樣機(jī)。目前,北汽新能源開發(fā)的SiC控制器開關(guān)頻率已從最初的10kHz提升到25kHz,控制器功率達(dá)到220kW以上功率等級,在量產(chǎn)產(chǎn)品邊界下,控制器達(dá)到了43kW/L以上的功率密度,最高效率從98.5%提升到99.2%,同時控制器具備多核運行、電源管理、主動短路、高壓輔電等多種功能安全相關(guān)模塊,為整車安全運行提供基礎(chǔ)保障。

在整車技術(shù)上,僅搭載SiC控制器一項措施優(yōu)化,整車NEDC效率就提升3個百分點。就控制器頻率的提升所帶來更為關(guān)鍵的技術(shù)突破——電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升而言,北汽新能源已開發(fā)出2萬轉(zhuǎn)以上的高極對數(shù)永磁電機(jī),正在緊鑼密鼓的測試中,預(yù)計未來搭載完整超高頻應(yīng)用SiC控制系統(tǒng)的整車NEDC效率至少可提高5%,整車減重10%以上,從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益提升,達(dá)到既提高了整車收益性,又提升了整車綜合性能的應(yīng)用目標(biāo)。

眾多巨頭企業(yè)為之傾心,SiC將是PK的全新競技場

SiC材料憑借較Si材料相比具有3倍的禁帶場強(qiáng)、10倍的臨界擊穿場強(qiáng)、2倍的電子飽和漂移速率和3倍的熱導(dǎo)率等優(yōu)勢,具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點。新能源汽車的選擇從Si材料轉(zhuǎn)變到SiC材料,主要目的就是通過改變控制器的控制方式、溫度、體積、效率等參數(shù),提升整個系統(tǒng)的效率指標(biāo),從而進(jìn)行整車系統(tǒng)優(yōu)化,達(dá)到續(xù)航里程的提升或相同里程下的成本優(yōu)勢。根據(jù)相關(guān)測試結(jié)果分析,采用SiC材料的控制器組件與Si基器件相比,控制器體積可以減少1/5,重量減輕35%,電力損耗從20%降低到5%,效率達(dá)到99%以上,整車?yán)m(xù)航里程提升5%以上,社會經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

憑借對于性能的顯著提升,眾多巨頭企業(yè)紛紛加入了SiC材料研發(fā)的戰(zhàn)場。行業(yè)巨頭的科銳在2019年對外宣布,將投入10億美元用以擴(kuò)大SiC產(chǎn)能,在其公司總部建造一座采用最先進(jìn)技術(shù)的自動化碳化硅產(chǎn)品超級工廠,預(yù)計于2024年全部完工。與此同時,博世汽車宣布將在2020年生產(chǎn)用于電動汽車的下一代節(jié)能芯片,爭取在未來三年內(nèi)尋找到SiC產(chǎn)品的量產(chǎn)路徑,這是博世133年歷史上最大的一筆投資。作為第一家將SiC模塊批量應(yīng)用到電動汽車上的整車廠,特斯拉每年預(yù)計消耗50萬片6寸SiC晶圓,ST已經(jīng)無法滿足其供應(yīng)需求,特斯拉正在尋求其它等晶圓廠家為其提供充足穩(wěn)定的貨源。SiC材料控制器的前景迎來可預(yù)見的爆發(fā)期。

但是,SiC材料的優(yōu)勢也為它帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。從材料成本上,SiC材料價格成本偏高,導(dǎo)致產(chǎn)品無法大規(guī)模推廣;在應(yīng)用技術(shù)上,如何提高SiC控制器開關(guān)頻率、增強(qiáng)驅(qū)動技術(shù)的高安全性、解決EMC與EMI(電磁兼容與干擾)問題和降低SiC系統(tǒng)熱損耗等都是SiC產(chǎn)品批量應(yīng)用上需要克服的困難。北汽新能源日前完成的夏季高溫試驗,未來即將開展的里程可靠性試驗和冬季高寒可靠性試驗,正是在克服困難的征程上,不斷的前行,只為用戶帶來更為暢快的駕駛體驗。