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哪儿还能继续省?TOYOTA SiC POWERSEMICONDUCTOR TECHNOLOGY

添加时间:2015-07-14 点击次数:2006

混合动力车型相比于传统内燃机驱动车型的主要优势在于出色的燃油经济性。然而,随着各方面科技水平的提升,传统内燃机汽车通过不断减轻车身质量,采用涡轮增压器或者精确控制燃油喷射等手段,使自身的燃料消耗量以‘没有最低,只有更低’的步伐不断向着混合动力车型逼近。混合动力车型如何突破瓶颈,技术人员拿着放大镜仔细寻找:哪儿还能再省点儿?

SiC——碳化硅,作为一种半导体材料与上一代以Si(硅晶体)、GaAs(砷化镓)为代表的半导体材料相比具有耐压较高,适于高温高频工作,具有体积小巧等优异性能。因此,SiC 等新材料主导了功率半导体的更新换代,而这里提到的功率半导体则多被用于电压转换器和逆变器等电力转换器中,进行电力方面的控制。

功率控制单元(Power Control Unit)是丰田混合动力车型中能量转换的核心,在动力系统中扮演着电力转换器的角色,其内部使用了大量的功率半导体零件,鉴于新半导体材料的诸多好处,丰田的工程师们便把放大镜停留在这里,尝试在旗下混合动力车型上的功率控制单元中使用新材料SiC 功率半导体。目前,该项技术已经搭载到凯美瑞混合动力试制车上,并于2015 年2 月起在丰田市周边的公路上进行为期1 年的道路试验。

在混合动力车型行驶过程中,功率控制单元负责电动机的电流供给,在车辆减速时又能够利用回收的电能向电池充电。但功率控制单元在完成能量转换任务的同时,尤其是在电流导通与截断的过程中,也有着不小的能量损耗,通常情况下约25% 的能量会在转换的过程中以热能等形式损失掉,而功率半导体零件贡献了其中的80%,其原因在于传统Si 功率半导体在每次通断过程之后的一段时间内仍然会有部分残余电流,这是Si 功率半导体的材料特性所决定的,也是能量损耗的症结所在。






所以,在此次进行试验的凯美瑞混合动力试制车的功率控制单元内,丰田有针对性地将在升压转换器以及用于控制电动机的逆变器中都使用SiC 功率半导体。采用新材料之后,即便是在较高的工作频率下,各个功率半导体零件在历次通断过程中的残余电流将会基本消除,由此预计功率控制单元自身的能量损耗会有50% 的降低,体现到整车方面就将是10% 的燃油节省,这在现有技术水平下是一个相当可观的进步。不仅如此,SiC 功率半导体在承受相同功率的情况下拥有更加紧凑的体积,耐热性方面SiC 功率半导体由于其自身本征温度较高,其实际工作温度可达600℃,这样会使车辆在结构以及散热设计等方面更加游刃有余。基于这样的预期,丰田将通过公路行驶试验,收集功率控制 单元在不同行驶速度、行驶状态、室外气温等条件下的电压及电流数据,从而验证新材料SiC 功率半导体的节油效果。

与此同时,这项由丰田、电装以及丰田中央研究院合作开发的新材料技术还将被用在丰田市内公交线路上正式运营的燃料电池巴士(FC巴士)上,车内控制燃料电池堆电压的FC 升压转换器,也采用了SiC材料制成的二极管,通过巴士在实际运营行驶中收集的数据,来进一步验证新材料对节能效果的提升。(张研)

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